使用FPGA和多通道光模块组合长距离传送高速数据

现在根据铜电缆的高速串口能够以数千兆位速率进行数据传送，并可经过运用多个并行通道到达超越100Gbps的数据传输率，不过传送的间隔却遭到约束，一个能够改进传输间隔的作法是运用光互连来替代铜电缆，Altera和Avago公司共同发展出结合FPGA以及光发射和接纳模块的单一集成计划，能够替代铜电缆互连和多个卡边际光收发器。

介绍

数据中心以及互联网上越来越很多的数据移动关于测验赶上的基础设施构成压力，中心功用如存储次体系、数据交流机和路由器，乃至是核算体系都遭到输入输出的约束，外部数据的移动则受限于数据能够在衔接一切交流机、路由器和存储阵列的电缆或其他互连机制上以多快的速度和多远的间隔移动。

现在根据铜电缆的高速串口能够以数千兆位速率进行数据传送，并可经过运用多个并行通道到达超越100Gbps的数据传输率，但要到达如此速度需支付一个价值，那就是遭到约束的传输间隔，基本上，数据率越高所能传送的间隔就越短，除非在信号完好性、功率以及通道资料本钱上做出献身。

为了补偿信号的劣化，一般运用杂乱的信号处理功用在发射端和接纳端进行信号均衡，这样的办法搭配上经过细心规划但价格贵重的铜电缆能够供给数米长度的间隔延伸，满足让单一机架间的设备互连，不过假如要让数据在数据中心或网络中心的机架间传送，就需求更长的电缆，在许多情况下，面对的本钱和很多电缆问题使这种作法变得不切实际。

光互连

一个能够改进传输间隔的办法是运用光学办法来替代铜电缆，光纤衔接现在尽管现已进入数据通讯产业，但许多连线需求十分耗电的卡边际光接口模块，并依然面对体系逻辑到光模块的电气互连问题，请参阅图1。高速串口的逻辑部分一般会在FPGA中施行，原因是这类器材能够供给规划工程师在电路板特性、功用以及输入输出挑选的高灵敏度，不过这样做FPGA的引脚有必要衔接光模块，无可防止地带来电路板上的高速走线。

图1：网络交流机或路由器的典型电路板布局显现输入输出逻辑和光模块间的间隔

FPGA的优点

FPGA的灵敏度和可重装备才能使它们成为需求各种高速输入输出体系的抱负计划，到达1Gbps传送才能的高速LVDS串口和串化/解串器(SERDES)首要被集成到了FPGA中，接着是超越3Gbps的更高速度SERDES，现在FPGA现已集成10Gbps乃至更高数据率的SERDES，举例来说，Altera公司的新28nm Stratix V FPGA 就能够到达28Gbps的速度。除了高速输入输出才能外，FPGA还供给有数百万个可装备逻辑门、很多的片上静态存储器以及其他专门的体系资源，包含处理器中心、锁相环(PLL)、数字信号处理(DSP)方块、PCI Express® (PCIe®)通道以及存储控制器等。

一切FPGA上的资源答应规划工程师将许多体系功用装备到器材的逻辑电路上，减缩体系电路板上所需的电路数量，别的，FPGA的可装备特性使得规划工程师能够更改逻辑来添加或移除功用、修补逻辑臭虫或许改进功能。

图2：关于10Gbps的数据传送，数据能够移动的最大间隔有着大幅度差异，首要依运用的为铜电缆(赤色部分)或光接口(橘色和橙色)而定

尽管在10Gbps数据率下FPGA到光模块的间隔仅数英吋，但就算电路板上数英吋的走线途径都或许危害信号的质量，图2显现了10Gbps数据流能够传送的间隔会因运用的接口而有所不同，因此为了保证光模块能够得到最佳的信号，如何将FPGA衔接到光衔接端口发射器输入和接纳器输出的间隔极小化就成了有必要面对的应战。

集成型光封装

为了把FPGA和光模块间的间隔极小化并下降整个芯片到模块衔接的功率和运用资料，Altera和Avago公司共同开发了结合FPGA以及光发射和接纳器模块到单一集成封装，能够替代多个外部卡边际光收发器的产品，如图3中展现电路板上的蓝圈部分。光学FPGA技能展现运用了Altera公司的Stratix IV GT FPGA，供给32个高速SERDES衔接端口，每个端口能够到达11Gbps的数据传输率，并有12个衔接端口直接和Avago公司的MicroPOD™光模块衔接。

12个光通道的每一个都能够独立运转或作为高容量通道的一部分，以便当经过高本钱效益办法供给方针带宽，并行光学类似于运用并行通道电气接口，例如PCI Express的多重通道到达方针带宽的电子信号作法。

图3：评价电路板上包含有Altera公司的FPGA以及Avago公司的MicroPOD 12通道光发射器和接纳器(红圈部分)，电路板上还有传统的卡边际光收发器模块(蓝圈部分)供给规划工程师进行功能比较

经过集成高速光模块到装有FPGA的封装中，Altera公司能够缩短FPGA芯片输入输出到光收发器输入端的信号途径到1英吋以下，更短的途径能够减轻信号劣化和颤动，因此改进了信号完好性并下降信号途径中寄生元素所形成的数据过错，进一步说，因为芯片到模块的互连间隔被大幅度缩短，因此FPGA和模块的整体功耗也会下降，因为再也不需糟蹋功率来进行传统非集成芯片到模块间互连的大幅度损耗均衡，图4中的混合FPGA封装保存有两个给Avago公司MicroPOD 12通道光收发器运用的旮旯，其间一个供给12个发射通道，另一个则供给12个接纳通道。

除了两个插座外，FPGA封装的首要改动在于信号的路由，不将高速输入输出接点安排在封装引脚，而是把信号接点导到插座的触摸区域，较短的路由间隔能够坚持高信号完好性，而且宣布的电磁搅扰也十分低。

图5中的光模块运用LGA接点设备在FPGA封装上，间隔为0.7424mm，每个插座仅需8.2mm x 7.8mm的区块巨细，经过设备LGA插座在FPGA的旮旯，Altera公司能够把SERDES和光学模块间的间隔缩短到低于1厘米，运用边际设备光模块时则需求5到50厘米，插座集成接口也带来了可置换性、可测验性和高产出率。

图5：MicroPOD光学模块运用LGA设备在FPGA封装上，仅需8.2mm x 7.8mm的占用空间。

图6：12通道光缆和PRIZM® LT衔接器直接设备在光模块上方，这样的组合构成了能够处理120Gbps的紧凑高速接口。

图6中组件的光学部分包含了衔接到微型MicroPOD模块的12条光缆，在发射端，模块包含12个低功耗850nm VCSEL激光二极管，每个二极管功耗约130mW，接纳端则包含有单石GaAs PIN二极管感应阵列，合适方针运用长度的光缆预先衔接到PRIZM® LightTurn®衔接器上，将光弯折90度并把光纤对准VCSEL激光，如图左下方的模块，PRIZM® LT衔接器现在能够由多个制造商获得。

12个光通道的每一个都能够处理10.3125Gbps的数据率，因此能够得到单一模块120Gbps的总合数据带宽，这个高度集成模块供给有光接口最高的衔接端口密度，而低功耗更使得模块的热办理变得十分简略。

确诊和状况监测

光模块面对的一个规划应战是如安在发热的FPGA裸芯片旁设备简略遭到热影响的光部件，为了战胜这个问题，Altera公司规划了共同的散热计划，能够坚持光缆在规范的0到70oC作业温度范围内，经过树立三个独立的散热规划使光学组件和裸芯片热阻隔，其间每个光学次设备有一个，裸芯片中也有一个，咱们现已证明光模块的温度坐落方针范围内。

除此之外，经过I2C总线通讯的数字确诊监测(DDM)电路答应规划工程师由光模块获得确诊数据，供给的确诊信息包含光输出功率、激光偏置电流以及接纳输入功率，这使得体系能够监测光模块的状况，并在产生问题时及时得知，防止体系产生问题或形成停机，这些关于许多运用，特别是运营连线中止或许带来数百万美元丢失的数据中心是十分要害的数据。

使光学FPGA作业

关于需求很多核算以及存储的运用，例如数据中心，集成光接口到器材封装能够替代可刺进光器材并节约功耗达70%到80%，并大幅度进步衔接端口密度和带宽，在军事、通讯基础设施以及播送范畴等背板运用中，这些衔接器能够替代贵重的电路板资料和衔接器，大幅度提高带宽，消除运用根据铜电缆计划时的信号完好性问题并节约功耗，如MicroPOD光发射器和接纳器的光模块在运用OM3级多模光纤时数据传送间隔能够到达100米，运用OM4级多模光纤时更可到达150米的衔接间隔。

嵌入式光学模块有助于下降需求的电路板空间并改进EMI问题，这样的组合能够协助下降本钱并简化经过契合FCC的法规程序，运用由Molex或其他衔接器公司供给的裸芯片MPO光纤多头适配器能够经过将机箱开口缩小到最小或许尺度进一步减轻EMI问题，除此之外，相较于卡边际可刺进模块，十分明显地到设备在前面板MPO衔接器的静电放电要小上许多。

刀片服务器体系为供给多个服务器，如存储、交流、输入输出、冷却以及电源次体系的严密布成密布模块化服务器体系，逐步升高的虚拟化、云核算需求，单一CPU和存储器库核算才能的继续提高，为刀片体系中的传统输入输出技能带来压力，现在大部分体系在服务器刀片和输入输出模块间经过杂乱的电气中介板作为高速电气接口，请参阅图7，这种型态的结构为体系规划工程师带来杂乱的信号完好性和热办理应战。

刀片服务器夹层卡的电气输入输出通道能够由光输入输出通道替代，杂乱的电气中介板则能够由简略的平等光学体系替代，请参阅图8。光学中介板供给了服务器以及体系中其他模块，包含存储设备、存储器以及输入输出间的一切高速衔接才能，而且没有电气信号完好性、串音、EMI以及ESD承受力等杂乱问题，别的，简略的光透通模块能够介接到中介电路板上使服务器刀片直接衔接外部的交流机、存储设备以及存储器。

图7：在典型的刀片服务器中，多个CPU卡衔接到中介板，中介板并衔接供给高速输入输出端口的以太网交流机刀片

图8：服务器刀片和夹层卡典型框图显现经过中介板的布局和光互连

定论

嵌入式光学技能保存了高端体系所需的信号完好性、简化EMI问题、下降ESD露出并带来体系冷却的灵敏度挑选，因为光衔接器能够安排在挨近主控ASIC乃至FPGA封装上，进一步说，因为主干一般为24到36通道宽，嵌入式光学技能能够带来卡边际便当的带宽总合，简化光纤办理以及机箱互连。
为了延伸单一FPGA或ASIC的容量，能够在多个FPGA或ASIC间装备多层级结构，典型的比如为三级Clos结构，尽管最新的可扩展体系能够经过运用AS%&&&&&%间的电气接口在单一机箱内到达，但大型体系需求多个机箱，因此需求光互连。
Altera公司的光FPGA选用嵌入式并行光学概念并转化为更高集成度的组合，经过进行光FPGA的工程规划，Altera和Avago公司为FPGA运用者带来完成并行光接口的或许性，在运用光缆而非铜电缆进行高速通讯时，不需是光学规划的专家，运用者就可完成衔接间隔和带宽的大幅度增加并下降功耗。