27.5.2. Ключевые элементы технологии атас

Ключевыми элементами технологии, присутствующими на АТАС- кристалле, являются: так называемый "оптический источник питания" — источник света, волноводы для передачи света, модуляторы для помещения световых сигналов в волноводы, детекторы для приема сигналов. В АТАС источником света (оптическим питанием) служат внешние лазеры. Световой поток направляется в накристальные световоды. Энергопотребление внешнего лазера — примерно 1,5 Вт с выходом примерно 0,2 Вт в виде оптического излучения, попадающего в световод. Для использования схемы разделения частот предполагается наличие нескольких источников лазерного излучения. Световоды представляют собой встроенные каналы, по которым распространяется свет. Они направляют и распределяют при помощи комбинирования материала с большим коэффициентом преломления в центре и с меньшим по краям канала. Световоды могут быть изготовлены как из кремния, так и из полимера. С учетом того, что кремниевые световоды могут быть размещены на кристалле более компактно и что модуляторы для кремниевого световода намного более компактные, чем для полимерного, в АТАС предполагается создание кремниевых световодов. Тем более что кремниевые световоды могут быть изготовлены в стандартном КМОП-процессе.

Требуются световоды с потерями менее, чем 0,3 дБ/см и емкостью по мощности не менее 10мВт. И то и другое требование в кремнии достижимо. Для обмена информацией используются следующие компоненты: источник света, модулятор, оптический фильтр, электронный драйвер модулятора. Оптический фильтр представляет собой кольцевой резонатор (рис.27.15), настроенный на определенную длину волны, — определяется размерами резонатора (также им определяется расстояние между длинами волн для схемы WDM). Дальнейшая настройка может быть осуществлена путем изменения температуры резонатора или его заряда. Модулятор представляет собой оптическое устройство, которое формирует цифровой сигнал, изменяя коэффициент поглощения. Модуляторы применяются для преобразования электрического сигнала в оптический — своего рода оптический коммутатор, помещающий оптический сигнал в световод.

Рис. 27.15.  Структура кольцевого оптического резонатора

Модуляторы, требуемые для архитектуры АТАС, должны иметь параметры, которые ориентировочно будут достигнуты в 2012 году: потери на включение — 1 дБ, площадь — менее 50 кв. мкм, скорость модуляции — 20 Гб/с, энергия, необходимая на переключение, — менее 25 фДж и общее потребление — порядка 25 мкВт/ГГц. На приемной стороне для приема сигнала используется дополнительный компонент — оптический фильтр для приема сигнала и преобразования его в электрический вид.

Оптический фильтр (кольцевой резонатор) используется для извлечения света нужной длины волны из световода и транспортировки его к фотодетектору. Так же как и модулятор, оптический фильтр должен быть настроен на конкретную длину волны. Фотодетектор в данном случае должен быть сверхчувствительным приемником. Для архитектуры АТАС требуются следующие параметры: для 11-нм технологичного процесса — чувствительность более 1 А/Вт, ширина полосы пропускания более 3 дБ на частотах более 20 ГГц, занимаемая площадь — менее 20 кв. мкм, паразитная емкость менее 1 фФ. При данной технологии выход детектора нуждается в усилении. Как правило, начиная с технологии 22 нм, меньшая емкость входа транзистора позволяет фотодетектору управлять цифровыми схемами. На рисунке 27.16 вышеперечисленные компоненты изображены вместе. Для одного ядра показана передающая часть, для другого — принимающая.

Рис.27.16 Схема оптической передачи между двумя ядрами

Для всех ядер, входящих в архитектуру, узлы приема-передачи оптических данных одинаковые. Сигналы модулятора используются для посылки 0 или 1 в сеть. Драйвер модулятора состоит из нескольких инверторов, которые управляют емкостной нагрузкой модулятора. Модулятор помещает свет на волне предварительно настроенной длины в световод, кодируя тем самым 0 или 1. Оптически кодированные данные распространяются по световоду на скорости, равной примерно одной трети скорости света, и принимаются фильтром, настроенным на ту же длину волны. Кванты света улавливаются приемником и передаются приемному регистру на приемной стороне.