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Sistemas de Comunicaciones de AltaVelocidad en CI CMOS

Hugo CarrerMarzo 2011

Temario

1. TecnicoComunicaciones Digitales, un pantallazoProblema a resolverEsquema del flujo de diseñoCiclo de vida

2. No tan tecnicoDonde se desarrolla esta tecnologiaQuienes son los clientes para esta tecnologia¿Que se hace en Argentina?

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¿Que son las CD?

Transmitir informacion digital de manera confiable

de un punto a otro del espacio o del tiempo

RECEPTORCANALTRANSMISOR

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Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

Bus SCSI

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

Bus SCSI

HDD y SSD

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

Bus SCSI

HDD y SSD

Red LAN UTP

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

Bus SCSI

HDD y SSD

Red LAN UTP

CD/DVD

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

Bus SCSI

HDD y SSD

Red LAN UTP

CD/DVD

WiFi

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 3

Algunos Ejemplos

Bus dentro de un µP [≈ 4× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 10−6m]

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× 1013m]

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Un Ejemplo

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¿Que cosas se busca mejorar?

VELOCIDAD

PRECIOCONFIABILIDAD

DESEMPEÑO

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Velocidad, Confiabilidad, Precio

La necesidad de los usuarios de mayores velocidadesde transmision es permanente y no parece tener limites.Segun la revista Spectrum de la IEEE la demanda deBW global crecio un %65 el ultimo año. [Tb/s]

Desde el punto de vista de los usuarios la confiabilidaddebe ser del 100% [BER=1e-18] (HDD ≈ 1 error cada 3años)

La necesidad de bajar el precio de los productos lleva abajar el costo de los componentes

La calidad de la señal recibida SIEMPRE empeora

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Problema a Resolver

Fibra Optica 0km

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Am

plitu

d

Muestra nro.

0km

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Problema a Resolver

Fibra Optica 100km

−3

−2

−1

0

1

2

3

0 2000 4000 6000 8000 10000

Am

plitu

d

Muestra nro.

100km

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Problema a Resolver

Fibra Optica 3000km

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

0 2000 4000 6000 8000 10000

Am

plitu

d

Muestra nro.

3000km

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Herramientas Matematicas

Equalizacion:FFEDFEMLSEFFT basedetc.

Codigos:Reed-SolomonBCHConvolucionalesLDPCetc.

Combinados:Turbo CodigosIterativos

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Implementacion

Todos estos algoritmos son complejos y de elevadacarga numerica

Dependiendo de la velocidad de transmision puedenimplementarse como:

Programas en un µPLogica digital en una FPGALogica digital en un ASICCombinaciones de lo anterior

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Fujo de Diseño

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Diseño del Sistema

Pasos a Seguir:Generar un modelo matematico del canalEstudiar la literaturaSimular el canal y las diferentes arquitecturasposiblesSeleccionar los mejores candidatos

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Seleccion de la Arquitectura

Basados en:Los resultados de simulacion de alto nivelImplementabilidad de los algoritmos en la tecnologiaseleccionadaLiteraturaExperiencia previa

Se selecciona y detalla la arquitectura a implementar

Se generan las especificaciones analogicas

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Sistemas Analogicos

Diseño de los circuitos a partir de las especificaciones

Circuitos tipicos en estos sistemas:T&HComparadoresFuentes de corriente y tensionPLLFlip-FlopsOsciladoresDrivers

Simulacion de los esquematicos

Layout

Simulacion de circuitos extracted

Integracion

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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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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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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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Lo Peor que Puede Pasar

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 19

Lo Peor que Puede Pasar

Dead Silicon

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Caracterizacion

¿Cumple con las especificaciones y con losrequerimientos del cliente?

PerformancePotenciaNormasConfiabilidadCompatibilidad

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¿Como Seguimos?

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 21

¿Como Seguimos?

¿Todo Bien?Mascaras de produccionDiseño de tests para AT

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 21

¿Como Seguimos?

¿Todo Bien?Mascaras de produccionDiseño de tests para AT

¿Algun Problema?Metal FixRespinMas drastico

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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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Caso Testigo: 40Gbps ASIC

Hasta hace muy poco tiempo, los receptores paracomunicaciones opticas se limitaban a detectar pulsos yrecuperar reloj

Circuitos analogicos de alta velocidad pero muysimplesAusencia de funciones de procesamiento electronicode señales

En los ultimos 5 años las comunicaciones opticas hancomenzado a usar complejos receptores basados enProcesamiento Digital de Señales para compensar lasimperfecciones del canal optico, tales como dispersioncromatica, ruido, etc.

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Modulacion

El metodo mas comun consiste en modular la intensidadde la luz transmitida

El receptor detecta la potencia optica recibida y laconvierte en una corriente mediante un fotodetectorNo se puede transmitir informacion de fase ni depolarizacion, lo cual hace que este metodo seasuboptimo

Un metodo alternativo es el de la modulacioncoherente

En este metodo se modula la amplitud, fase ypolarizacion de la señal opticaAl tener mas informacion sobre la señal, nosolamente se puede transmitir mas informacion, sinoque se pueden compensar mejor las imperfeccionesdel canal de transmision

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Imperfecciones del Canal

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Imperfecciones del Canal

Dispersion cromatica : Causada por la dependencia delindice de refraccion con respecto a la longitud de onda.Depende del ancho de linea del laser. Por ejemplo, para300km de fibra y un laser de 1550nm con un ancho delinea de 0.1nm, la dispersion es 17x0.1x300=510ps(aproximadamente 5 simbolos a 10Gbaudios)

Dispersion modal de polarizacion : Causada por labirrenfringencia. Si el pulso de entrada exita ambascomponentes de polarizacion, el mismo se ensanchadebido a que las componentes tienen diferentesvelocidades de grupo. La birrenfringencia variaaleatoriamente a lo largo de la fibra. Ambos efectos, laPMD y el estado de polarizacion del laser son noestacionarios

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Imperfecciones del Canal

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Imperfecciones del Canal

Los amplificadores opticos introducen un tipo de ruidoconocido como Emision Espontanea Amplificada(Amplified Spontaneous Emission, o ASE)

El ruido ASE se modela como ruido blanco Gaussianocomplejo

El ruido de fase del laser se modela como un procesoWiener, la fase resultante es la integral de un procesoGaussiano blanco de media cero con una densidadespectral de potencia 2π∆ν donde ∆ν es el parametrode ancho de linea del laser, tipicamente en el rango de1MHz para laseres DFB y 10-100KHz para laseres decavidad externa (ECL)

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Una solucion

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ROSA y TOSA

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Etapas Analogicas

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Etapas de DSP

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Bulk Chromatic Disp. Equalizer

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Bulk Chromatic Disp. Equalizer

Suponiendo que la longitud de respuesta al Impulso es128T (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 frecuenciautilizando 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 nuevobloque de entrada y la otra mitad son repeticion delbloque de entrada previo

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Feed Forward Equalizer

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Floorplan del CL4010

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¿Donde se Hacen estos ASIC?

DiseñoEEUUEUROPAASIAARGENTINA

FabricacionASIA

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¿Quienes son los Clientes?

Integradores:CISCOHuaweiNSNNECOclaroJDSUetc.

Global Carriers:AT&TTelmexNorteletc.

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¿Que se puede hacer enla Argentina?

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39

¿Que se puede hacer enla Argentina?

Diseño

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39

¿Que se puede hacer enla Argentina?

DiseñoFabricacion

▽ SASE Marzo 2011 Pag. 39

¿Que se puede hacer enla Argentina?

DiseñoFabricacionTesting

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Clariphy Argentina S.A.CASA

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Algunos Temas

Quienes somos

Que hemos hecho

Que podemos hacer

Que planeamos hacer

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Quienes Somos

ClariPhy Argentina S.A. (CASA) fué creada en el 2004por un grupo de investigadores del Laboratorio deComunicaciones Digitales de la Facultad de CienciasExactas, 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 sumisión es contribuir al desarrollo tecnológico de nuestropaís

CASA cumple esa misión en base a acuerdos decolaboracion con entidades locales de investigación ydesarrollo y en base a la creación de oportunidadestécnicas para los ingenieros argentinos

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Quienes somos

Empresa privada dedicada al diseño de CI para lastelecomunicaciones

Existencia formal desde el 3er. trimestre de 2006 (8empleados)

Certificacion ISO9001 del proceso productivo a finalesde 2007

Estrecha relacion con las Universidades (UNC, UNS,UCC, etc.)

PasantiasBecasCursos de capacitacionPublicaciones

A la fecha somos33 Tecnicos3 Administrativos

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Que hemos hecho

Canales Opticos6 tape outs exitosos de CI mixtos (Analogico/Digital)para enlaces de 10Gbps (90 y 65 nm TSMC)A 90nm CMOS DSP MLSD Transceiver withIntegrated AFE for Electronic DispersionCompensation of Multi-mode Optical Fibers at 10Gb/s(ISSCC 2008)

Canal Magnetico3Gbps Emulador de Read Channel en FPGA

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Que Podemos Hacer

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tem

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GU

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Car

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Har

dwar

e

CL1010 (90nm) w w w w w w w w w w

CL1011 (65nm) w w w w w w w w w w

CL1161 (65nm) w w w w w w w w w w

CL1011C (65nm) w w w w w w w w w w

CL1040 (40nm) w w w w w w w w w w

CL4010 (40nm) w w w w w w w w w w

MaRP (FPGA) Emulador de Read Channel en FPGA

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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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Contacto

Hugo S. Carrerhugo.carrer@clariphy.com.ar

http://www.clariphy.com.ar

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