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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
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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
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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?
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¿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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Brin
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GU
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sist
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Car
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Har
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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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