O tráfego de internet está disponível para nós de diversas formas: em casa, através de banda larga ou acesso à internet sem fios, ou em dispositivos móveis quando estamos fora de casa. No núcleo destes sistemas, encontramos geralmente um FPGA. Os FPGA são comuns em todos os aspetos das tecnologias com e sem fios, desempenhando funções tão diversas como o processamento de pacotes e a gestão de tráfego para o processamento de sinais de radiofrequência (RF) para sinais de rádio 3G ou LTE. Especificamente, os sistemas de comunicação ótica (com fios) ampliaram significativamente a funcionalidade e as características atualmente disponíveis nas famílias de FPGAs de ponta e de gama média.
Transcetores
: A evolução dos transcetores nas tecnologias FPGA foi impulsionada pela necessidade de ligar ASSPs e ASICs em sistemas de comunicação com fios. Os primeiros FPGAs com transceptores estavam comercialmente disponíveis no final da década de 1990 e início dos anos 2000; os dispositivos Mercury™ da Altera apresentam até 18 transceptores a 1,25 Gbps. Estes transcetores suportam Ethernet de 1 Gbit, OC-12/STM-4 (622 Mbit/s) e OC-24 (~1,2 Gbps), os principais protocolos para SONET/SDH e Ethernet. Estes dispositivos transformaram os FPGAs em elementos de processamento para o caminho de dados, oferecendo diferenciação de design ao permitir que os projetistas incorporassem funções que anteriormente exigiriam um ASSP. Com o desenvolvimento dos FPGAs, as velocidades dos transcetores aumentaram para acomodar protocolos mais avançados. Com dispositivos como a família Stratix® IV, foi implementada uma abordagem dupla: os dispositivos Stratix IV GX apresentavam transcetores que atingiam até 8,5 Gbps, mais do que suficiente para suportar interfaces PCIe® Gen 3 e Gen 2, enquanto os dispositivos Stratix IV GT atingiam 11,3 Gbps para suporte de OTU2 e Ethernet 10G. Quando combinados com o bloco IP apropriado, podem ser utilizadas dez linhas de 10,3 Gbps para Ethernet 100G ou, juntamente com um bloco IP de trama e Correção de Erros Direta (FEC), pode ser criada uma ligação OTU4.
Os FPGA modernos oferecem esta enorme largura de banda, proporcionando a plataforma perfeita para as secções de geração/multiplexagem de quadros dos sistemas óticos. Estes FPGAs são normalmente encontrados na placa de linha do protocolo de comunicação. Têm de comunicar com outras placas do sistema para encaminhar o tráfego de dados, e é aí que um backplane se torna útil. Os FPGA modernos superaram os switches de backplane e os ASIC personalizados em termos de comunicação de backplane de baixo consumo com elevada integridade de sinal.
Devido ao crescente volume de dados transmitidos pelos FPGAs para as placas de linha, a largura de banda do backplane necessita geralmente de ser pelo menos o dobro da velocidade de transmissão da placa de linha, dado que muitos sistemas de comunicação com fios implementam um sistema de backplane duplo para redundância. À medida que as taxas de dados aumentam nos sistemas de comunicação, aumentam também as perdas no enlace de um determinado canal. Isto deve-se às perdas dependentes da frequência, originadas no material dielétrico utilizado (geralmente o efeito do filtro passa-baixo). Para compensar estas perdas, as frequências elevadas do canal são amplificadas, seja através de um processo denominado pré-ênfase (também conhecido como equalização de transmissão) ou pela equalização do sinal recebido pelo FPGA. A maioria dos FPGAs incorpora algum tipo de equalização de canal: pré-ênfase, equalização de receção ou ambas.
Os FPGAs Stratix V suportam atualmente o protocolo 10GBASE-KR, uma melhoria em relação à norma Ethernet 10G que permite a transmissão através de backplanes. Este protocolo especifica que a equalização de canal deve ser suficiente para compensar as perdas entre os dois conectores e aproximadamente 1 metro de pista. Este é expresso em valor dB, e o FPGA utiliza uma combinação de equalização linear e Decision Feedback Equalization (DFE), um filtro de 5 taps que amplifica o sinal e elimina a interferência intersimbólica, para recuperar o sinal.
Controlo Óptico.
Os avanços discutidos anteriormente tornam o FPGA ideal para a secção digital da cadeia de sinal, mas e a própria tecnologia ótica? As melhorias introduzidas nos FPGAs, que proporcionam uma plataforma tão completa para o backplane, oferecem também a possibilidade de controlar diretamente os módulos óticos. As fibras óticas oferecem inúmeras vantagens: podem transportar enormes quantidades de dados a distâncias maiores e a velocidades mais elevadas do que os sinais que circulam através dos fios de cobre numa placa de circuito impresso. Embora sofram de dispersão óptica, o resultado é a interferência entre os símbolos. Até há pouco tempo, era necessário colocar um dispositivo de Compensação Externa de Dispersão (EDC) entre o transcetor FPGA e o módulo ótico (geralmente um módulo SFP+ para velocidades da ordem dos 10 Gbps) para cancelar este efeito.
Combinando a equalização adaptativa (uma forma automática de equalizar as perdas do canal) e o DFE, um FPGA Stratix V pode controlar diretamente os módulos SFP+, reduzindo consideravelmente o custo, o consumo de energia e o tempo de espera de um determinado enlace.
Outra técnica para reduzir os custos e o consumo de energia é aumentar a frequência dos dados transmitidos. Embora isto pareça contraproducente após ler sobre as perdas no canal, é possível poupar energia no controlo ótico aumentando a velocidade. Por exemplo, um módulo ótico CFP (C Form-Factor Pluggable) para 100GBASE-LR4 utiliza um formato DP-QPSK gerado internamente por chips de conversão que transformam as 10 entradas/saídas de um transcetor de 10,3 Gbps em 4 canais de aproximadamente 25,6 Gbps para modular um laser. Se o FPGA puder gerar dados a 25,6 Gbps e fornecê-los a um novo módulo ótico (CFP2), elimina uma camada de processamento de sinal, reduzindo assim o consumo de energia. Os FPGAs Stratix V GT da Altera são os primeiros FPGAs capazes de oferecer o desempenho de um transceptor de 25 Gbps e 28 Gbps. Com quatro destes transcetores, estes novos FPGAs em fase de produção podem ser ligados a módulos CFP2 e reduzir significativamente o consumo de energia e o custo, como mostra a Figura 2.
FPGAs Ópticos:
O passo mais avançado na tecnologia de comunicação óptica é o FPGA óptico. Esta nova tecnologia da Altera inclui transcetores óticos no mesmo encapsulamento. Este demonstrador tecnológico (Figura 3) utiliza núcleos óticos plugáveis da Avago Technologies, contendo 10 controladores num módulo e 10 recetores num arranjo. Podem ser ligados a uma fibra multimodo de baixo custo e transmitir dados a mais de 100 m e 10 Gbps. Esta nova tecnologia resolve o problema da transmissão de sinais em placas de circuito impresso e sistemas de grande dimensão. Agora, os sinais propagam-se por uma fibra ótica de baixa perda em vez de uma placa. Isto permite que os sistemas tenham placas de linha posicionadas em vários níveis ou em bastidores distantes, integradas de forma semelhante a uma placa de linha no mesmo backplane.
Implementação de Sistemas:
Face ao aumento previsto da procura de largura de banda para comunicações, existe uma necessidade crescente de implementar sistemas de valor acrescentado o mais rapidamente possível. Para maximizar o valor do produto, os engenheiros precisam de tempo para inovar nas áreas onde a empresa se destaca. No final de 2010, a Altera adquiriu a Avalon Microelectronics Inc., líder em IP para Redes Ópticas (OTN). Operando agora como o Newfoundland Technology Center, esta mesma expertise de alto nível tem sido aproveitada para criar blocos de IP orientados para o cliente para OTN e conceber serviços que integram estes blocos nos sistemas dos clientes, acelerando significativamente a implementação e a implantação do sistema.
Conclusão:
A crescente procura por produtos de infraestruturas de comunicação levou a Altera a desenvolver inicialmente placas de linha e, posteriormente, para servir o mercado de alta velocidade, dispositivos óticos. Este processo complementar impulsiona a Altera a desenvolver plataformas tecnologicamente avançadas para aplicações óticas, resultando em dispositivos que podem beneficiar muitos outros mercados de produtos de alta velocidade.
Autor:
Craig Davis - Diretor de Marketing de Produto, Altera Europa
