About / Advertise
Bättre kunskaper om transistorerna och ökad användning av analog teknik gör att den billigaste av alla halvledartekniken, vanlig CMOS, hänger med även i språnget till 10 Gbit/s. Fiberoptik är en större utmaning än radio, och svårast är sändtagaren (transceivern). Det kräver en hel del finlir och trimning, och borta är de dagar då en CMOS-transistor bara var av eller på.
| På halvledarkonferensen ISSCC i San Francisco nyligen visade Broadcom att det inte bara är teoretiskt utan även praktiskt möjligt att konstruera i CMOS för 10 Gbit/s Sonet/SDH. I fjärrnäten är den amerikanska standarden Sonet och dess europeiska motsvarighet SDH dominerande. Det ökande kapacitetsbehovet gör att man vill öka bandbredden både med våglängdsmultiplexering och högre hastighet per våglängdskanal. Fjärrnätsstandarden SDH/Sonet OC 192 för 10 Gbit/s har varit definierad sedan länge. Det går att bygga, men ska det vara billigt ska det vara CMOS. Det är precis vad Brodcom tagit fasta på med den krets för sändning och den för mottagning som presenterades på ISSCC. På sikt kan de integreras till en sändtagarkrets. Kretsarna är konstruerade i en 0,18 μm-process med en drivspänning på 1,8 V. Broadcom lyckades använda befintliga verktyg för parasitextrahering för att minimera störningarna. Sändaren tar emot 16 parallella signaler från en nätverksprocessor som buffras innan de multiplexeras ihop till en analog signal. På samma sätt plockar mottagaren in en signal och omvandlar den till en 16-bitars parallell signal. Sändarens jitter är på 85 picosekunder, vilket är väl inom ramen för de hårda krav OC 192 ställer. Mottagarens jitter är 40 ps. Sändaren drar 450 mW medan mottagaren drar 870 mW |
- Radio, i synnerhet Bluetooth som ska vara extra kostnadseffektivt, har gett skjuts åt CMOS i höga frekvenser, säger Björn Rudberg på Optillion, som tillverkar optiska sändtagare för 10 Gbit/s Ethernet.
Men att bygga en radio i CMOS är fortfarande betydligt enklare än att göra kretsar för fibernät med 10 Gbit/s, eftersom det för radio bara är bärfrekvensen som går i flera gigahertz. Basbandsdelen har betydligt blygsammare arbetshastigheter på ett par megahertz.
- Man får skilja på tre fall när man talar om höghastighetselektronik. Mikrovågsradio är smalbandigt vilket tillåter att man använder spolar och sånt. För bredband jobbar kretsarna för signalbehandling parallellt, vilket gör att de visserligen klarar datahastigheter på tiotals gigabit, men den interna klockfrekvensen är ett par hundra megahertz. Men vid övergången till optiken har vi elektronik med äkta 10 Gbit/s per tråd, förklarar Christer Svensson, professor i elektronik på Linköpings universitet.
CMOS anses ha svårt att fungera i höga arbetsfrekvenser, men detta motverkas delvis av den ständiga miniatyriseringen. Kortare ledningar och lägre spänningsnivåer gör att det helt enkelt går fortare att flytta elektroner och slå om mellan ettor och nollor.
Å andra sidan gör de lägre spänningsnivåerna och högre frekvenserna att de digitala signalerna allt mer börjar likna analoga signaler. Det gör att ledningsimpedanser och andra störningar får mycket större effekt. Detta får man ta hänsyn till i konstruktionen.
- Det analoga beteendet har drivit oss till att lära oss mer om CMOS än att transistorena bara är av eller på. Vi har blivit bättre på att förstå CMOS, anser Björn Rudberg.
Vid höga arbetsfrekvenser börjar fördröjningen i ledningarna bli en faktor, och det blir allt svårare att få hela kretsen att arbeta synkront. Detta är ett problem om man ska bygga processorer, men optiska sändtagare behöver inte arbeta synkront. Det räcker med att man har buffertar av typen first-in first-out vid in- och utgång. Buffertarna orsakar litet fördröjning, men de jämnar å andra sidan ut variationer i fördröjningen (jitter) som är ett betydligt värre problem i nätverkssammanhang.
Ett annat användbart verktyg som finns att ta till när man ska konstruera högfrekventa kretsar är analog CMOS. Förutom det uppenbara steget när drivsignalen till lasern ska genereras är det mycket enklare att konstruera analoga signalfilter än digitala. Analog CMOS drar dock mer ström än digital, eftersom den behöver en konstant ström och inte bara vid omslag, som digital CMOS gör. Analog CMOS är också mindre exakt och framför allt mer störkänslig.
- Spolar är ett klumpigt sätt att bygga filter på Men för höga frekvenser med låg precision är analogt bra, anser Christer Svensson.
Utvecklingen mot att göra så litet som möjligt i bipolärt kisel eller material som galliumarsenid och resten i CMOS speglas därför i en motsvarande utveckling att försöka använda analog CMOS så litet som möjligt.
Allt sammantaget är det fullt möjligt att bygga CMOS för 10 Gbit/s, det kräver bara mer av konstruktören. Och som Björn Rudberg påpekar kan man bara lösa en del av problemen på själva kretsen.
- Bruskänsligheten gör att det är viktigt att hantera helheten. Allt kring kretsen måste vara mer exakt, bättre kapsling, montering et cetera.
En utveckling som bara lär fortsätta när nästa steg ska tas: Fiberkommunikation med 40 Gbit/s.
Elias Nordling
