Sistemas de Comunicaciones de Alta
Velocidad en CI CMOS
Hugo Carrer
Marzo 2011
Temario
1. Tecnico
Comunicaciones Digitales, un pantallazo
Problema a resolver
Esquema del flujo de diseño
Ciclo de vida
2. No tan tecnico
Donde se desarrolla esta tecnologia
Quienes son los clientes para esta tecnologia
¿Que se hace en Argentina?
SASE Marzo 2011
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¿Que son las CD?
Transmitir informacion digital de manera confiable
de un punto a otro del espacio o del tiempo
TRANSMISOR
SASE Marzo 2011
CANAL
RECEPTOR
Pag. 2
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
Anillos Metro
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
Anillos Metro
Enlaces de Largo Aliento
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
Anillos Metro
Enlaces de Largo Aliento
GPS
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
Anillos Metro
Enlaces de Largo Aliento
GPS
TV Satelital
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 3
Algunos Ejemplos
Bus dentro de un µP [≈ 4 × 10−6 m]
Bus SCSI
HDD y SSD
Red LAN UTP
CD/DVD
WiFi
ADSL
Celulares
Anillos Metro
Enlaces de Largo Aliento
GPS
TV Satelital
Sondas de espacio profundo [1.5 × 1013 m]
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Un Ejemplo
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¿Que cosas se busca mejorar?
VELOCIDAD
DESEMPEÑO
CONFIABILIDAD
SASE Marzo 2011
PRECIO
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Velocidad, Confiabilidad, Precio
La necesidad de los usuarios de mayores velocidades
de transmision es permanente y no parece tener limites.
Segun la revista Spectrum de la IEEE la demanda de
BW global crecio un %65 el ultimo año. [Tb/s]
Desde el punto de vista de los usuarios la confiabilidad
debe ser del 100% [BER=1e-18] (HDD ≈ 1 error cada 3
años)
La necesidad de bajar el precio de los productos lleva a
bajar el costo de los componentes
La calidad de la señal recibida SIEMPRE empeora
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Pag. 6
Problema a Resolver
Fibra Optica 0km
1.5
0km
1
Amplitud
0.5
0
−0.5
−1
−1.5
SASE Marzo 2011
0
2000
4000
6000
Muestra nro.
8000
10000
Pag. 7
Problema a Resolver
Fibra Optica 100km
3
100km
2
Amplitud
1
0
−1
−2
−3
SASE Marzo 2011
0
2000
4000
6000
Muestra nro.
8000
10000
Pag. 8
Problema a Resolver
Fibra Optica 3000km
4
3000km
3
Amplitud
2
1
0
−1
−2
−3
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0
2000
4000
6000
Muestra nro.
8000
10000
Pag. 9
Herramientas Matematicas
Equalizacion:
FFE
DFE
MLSE
FFT based
etc.
Codigos:
Reed-Solomon
BCH
Convolucionales
LDPC
etc.
Combinados:
Turbo Codigos
Iterativos
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Pag. 10
Implementacion
Todos estos algoritmos son complejos y de elevada
carga numerica
Dependiendo de la velocidad de transmision pueden
implementarse como:
Programas en un µP
Logica digital en una FPGA
Logica digital en un ASIC
Combinaciones de lo anterior
SASE Marzo 2011
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Fujo de Diseño
SASE Marzo 2011
Pag. 12
Diseño del Sistema
Pasos a Seguir:
Generar un modelo matematico del canal
Estudiar la literatura
Simular el canal y las diferentes arquitecturas
posibles
Seleccionar los mejores candidatos
SASE Marzo 2011
Pag. 13
Seleccion de la Arquitectura
Basados en:
Los resultados de simulacion de alto nivel
Implementabilidad de los algoritmos en la tecnologia
seleccionada
Literatura
Experiencia previa
Se selecciona y detalla la arquitectura a implementar
Se generan las especificaciones analogicas
SASE Marzo 2011
Pag. 14
Sistemas Analogicos
Diseño de los circuitos a partir de las especificaciones
Circuitos tipicos en estos sistemas:
T&H
Comparadores
Fuentes de corriente y tension
PLL
Flip-Flops
Osciladores
Drivers
Simulacion de los esquematicos
Layout
Simulacion de circuitos extracted
Integracion
SASE Marzo 2011
Pag. 15
Implementacion
Modelo del DSP de gran precision (clock & bit)
Generacion del codigo RTL (Verilog, VHDL)
Verificacion del codigo RTL
Sintesis por bloques
Integracion
Sintesis conjunta
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Pag. 16
Implementacion (cont.)
Floorplanning
Place and Route
Iteraciones
Integracion con los sistemas analogicos
Verificaciones de potencia
Verificaciones de densidad de corriente
Verificaciones de interferencia
Verificaciones de funcionalidad
Verificaciones formales
Tape Out
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Pag. 17
Verificacion del Dispositivo
Diseño de los tests de verificacion
Diseño de la placa de evaluacion
Bring up Analogico
Bring up Digital
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Pag. 18
Lo Peor que Puede Pasar
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Pag. 19
Lo Peor que Puede Pasar
Dead Silicon
SASE Marzo 2011
Pag. 19
Caracterizacion
¿Cumple con las especificaciones y con los
requerimientos del cliente?
Performance
Potencia
Normas
Confiabilidad
Compatibilidad
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Pag. 20
¿Como Seguimos?
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 21
¿Como Seguimos?
¿Todo Bien?
Mascaras de produccion
Diseño de tests para AT
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 21
¿Como Seguimos?
¿Todo Bien?
Mascaras de produccion
Diseño de tests para AT
¿Algun Problema?
Metal Fix
Respin
Mas drastico
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Pag. 21
Herramientas Necesarias
Comunicaciones digitales
DSP
Circuitos digitales
Circuitos analogicos
Circuitos CMOS
Manejo de las herramientas de CAD
Acceso al kit de proceso
Equipos de medicion
Un cliente o inversor
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Pag. 22
Caso Testigo: 40Gbps ASIC
Hasta hace muy poco tiempo, los receptores para
comunicaciones opticas se limitaban a detectar pulsos y
recuperar reloj
Circuitos analogicos de alta velocidad pero muy
simples
Ausencia de funciones de procesamiento electronico
de señales
En los ultimos 5 años las comunicaciones opticas han
comenzado a usar complejos receptores basados en
Procesamiento Digital de Señales para compensar las
imperfecciones del canal optico, tales como dispersion
cromatica, ruido, etc.
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Pag. 23
Modulacion
El metodo mas comun consiste en modular la intensidad
de la luz transmitida
El receptor detecta la potencia optica recibida y la
convierte en una corriente mediante un fotodetector
No se puede transmitir informacion de fase ni de
polarizacion, lo cual hace que este metodo sea
suboptimo
Un metodo alternativo es el de la modulacion
coherente
En este metodo se modula la amplitud, fase y
polarizacion de la señal optica
Al tener mas informacion sobre la señal, no
solamente se puede transmitir mas informacion, sino
que se pueden compensar mejor las imperfecciones
del canal de transmision
SASE Marzo 2011
Pag. 24
Imperfecciones del Canal
SASE Marzo 2011
Pag. 25
Imperfecciones del Canal
Dispersion cromatica: Causada por la dependencia del
indice de refraccion con respecto a la longitud de onda.
Depende del ancho de linea del laser. Por ejemplo, para
300km de fibra y un laser de 1550nm con un ancho de
linea de 0.1nm, la dispersion es 17x0.1x300=510ps
(aproximadamente 5 simbolos a 10Gbaudios)
Dispersion modal de polarizacion: Causada por la
birrenfringencia. Si el pulso de entrada exita ambas
componentes de polarizacion, el mismo se ensancha
debido a que las componentes tienen diferentes
velocidades de grupo. La birrenfringencia varia
aleatoriamente a lo largo de la fibra. Ambos efectos, la
PMD y el estado de polarizacion del laser son no
estacionarios
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Pag. 26
Imperfecciones del Canal
SASE Marzo 2011
Pag. 27
Imperfecciones del Canal
Los amplificadores opticos introducen un tipo de ruido
conocido como Emision Espontanea Amplificada
(Amplified Spontaneous Emission, o ASE)
El ruido ASE se modela como ruido blanco Gaussiano
complejo
El ruido de fase del laser se modela como un proceso
Wiener, la fase resultante es la integral de un proceso
Gaussiano blanco de media cero con una densidad
espectral de potencia 2π∆ν donde ∆ν es el parametro
de ancho de linea del laser, tipicamente en el rango de
1MHz para laseres DFB y 10-100KHz para laseres de
cavidad externa (ECL)
SASE Marzo 2011
Pag. 28
Una solucion
SASE Marzo 2011
Pag. 29
ROSA y TOSA
SASE Marzo 2011
Pag. 30
Etapas Analogicas
SASE Marzo 2011
Pag. 31
Etapas de DSP
SASE Marzo 2011
Pag. 32
Bulk Chromatic Disp. Equalizer
SASE Marzo 2011
Pag. 33
Bulk Chromatic Disp. Equalizer
Suponiendo que la longitud de respuesta al Impulso es
128T (256 muestras a T/2)
El bloque de entrada consiste en 256 muestras a T/2
El tamaño de la FFT es 512
El filtro se implementa en el dominio de la frecuencia
utilizando el metodo overlap and save
El tamaño del bloque es el doble del bloque de entrada,
o 512 muestras complejas
La mitad de estas muestras provienen de un nuevo
bloque de entrada y la otra mitad son repeticion del
bloque de entrada previo
SASE Marzo 2011
Pag. 34
Feed Forward Equalizer
SASE Marzo 2011
Pag. 35
Floorplan del CL4010
SASE Marzo 2011
Pag. 36
¿Donde se Hacen estos ASIC?
Diseño
EEUU
EUROPA
ASIA
ARGENTINA
Fabricacion
ASIA
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Pag. 37
¿Quienes son los Clientes?
Integradores:
CISCO
Huawei
NSN
NEC
Oclaro
JDSU
etc.
Global Carriers:
AT&T
Telmex
Nortel
etc.
SASE Marzo 2011
Pag. 38
¿Que se puede hacer en
la Argentina?
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 39
¿Que se puede hacer en
la Argentina?
Diseño
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 39
¿Que se puede hacer en
la Argentina?
Diseño
Fabricacion
▽ SASE Marzo 2011
Pag. 39
¿Que se puede hacer en
la Argentina?
Diseño
Fabricacion
Testing
SASE Marzo 2011
Pag. 39
Clariphy Argentina S.A.
CASA
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Pag. 40
Algunos Temas
Quienes somos
Que hemos hecho
Que podemos hacer
Que planeamos hacer
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Pag. 41
Quienes Somos
ClariPhy Argentina S.A. (CASA) fué creada en el 2004
por un grupo de investigadores del Laboratorio de
Comunicaciones Digitales de la Facultad de Ciencias
Exactas, Físicas y Naturales de la UNC
Si bien esta asociada con una empresa extranjera,
CASA es una empresa netamente argentina
CASA considera que una parte muy importante de su
misión es contribuir al desarrollo tecnológico de nuestro
país
CASA cumple esa misión en base a acuerdos de
colaboracion con entidades locales de investigación y
desarrollo y en base a la creación de oportunidades
técnicas para los ingenieros argentinos
SASE Marzo 2011
Pag. 42
Quienes somos
Empresa privada dedicada al diseño de CI para las
telecomunicaciones
Existencia formal desde el 3er. trimestre de 2006 (8
empleados)
Certificacion ISO9001 del proceso productivo a finales
de 2007
Estrecha relacion con las Universidades (UNC, UNS,
UCC, etc.)
Pasantias
Becas
Cursos de capacitacion
Publicaciones
A la fecha somos
33 Tecnicos
3 Administrativos
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Pag. 43
Que hemos hecho
Canales Opticos
6 tape outs exitosos de CI mixtos (Analogico/Digital)
para enlaces de 10Gbps (90 y 65 nm TSMC)
A 90nm CMOS DSP MLSD Transceiver with
Integrated AFE for Electronic Dispersion
Compensation of Multi-mode Optical Fibers at 10Gb/s
(ISSCC 2008)
Canal Magnetico
3Gbps Emulador de Read Channel en FPGA
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RT
L
Ba
ck
Dis
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na.
Lay
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na.
Bri
ng
up
GU
I
As
ist.
Cli
ent
Ca
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w
w
CL1010 (90nm)
CL1011 (65nm)
CL1161 (65nm)
CL1011C (65nm)
CL1040 (40nm)
CL4010 (40nm)
MaRP (FPGA)
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En
d
tem
as
Sis
Que Podemos Hacer
Emulador de Read Channel en FPGA
Pag. 45
Que Planeamos Hacer
Diseño del Hardware
Chip Lead (Ya tenemos el control del Top Level Digital)
Un CI completo en CASA
Continuar creciendo
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Pag. 46
Contacto
Hugo S. Carrer
hugo.carrer@clariphy.com.ar
http://www.clariphy.com.ar
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