El despliegue de redes 5G supondrá un gran avance en las comunicaciones, con 10 veces más ancho de banda y 50 veces menos latencia. Se está desarrollando rápidamente una variedad de tecnologías, incluidos los dispositivos y componentes utilizados en los centros de datos, para permitir mejoras tan significativas. Un ejemplo son los transceptores ópticos. Sirve para conectar y convertir datos transmitidos a través de fibras ópticas dentro del centro de datos en señales eléctricas.
Los módulos ópticos están duplicando o incluso cuadruplicando las velocidades de transmisión para adaptarse al aumento del tráfico de datos. En 2020, normalmente se utilizarán módulos con velocidades de datos de 100 Gbps. Sin embargo, el uso de módulos de 400 Gbps está creciendo rápidamente y actualmente se están desarrollando módulos de 800 Gbps. Las redes de alta capacidad de 400 Gbps y 800 Gbps exigen mucho de los módulos ópticos y los osciladores que contienen. Estos dispositivos deben tener características superiores con diseños más densos, menor consumo de energía por bit y menor fluctuación que sus predecesores.
Los módulos ópticos se utilizan en todos los puntos de la red troncal óptica (desde el fronthaul hasta el backhaul) y cuentan con transceptores de alta velocidad de datos requeridos en redes metropolitanas y centros de datos.
Los centros de datos de hiperescala son uno de los mayores impulsores para aumentar el rendimiento óptico. 5G requiere la transmisión y el cálculo de grandes cantidades de datos. Para habilitar esto, los centros de datos deben usar módulos ópticos de mayor capacidad. Hiperescala se refiere a la combinación perfecta de hardware e instalaciones que se pueden usar para escalar entornos informáticos distribuidos hasta miles de servidores. Hiperescala se trata de lograr una escalabilidad a gran escala en la informática. Típicamente para big data o computación en la nube. La infraestructura de hiperescala está diseñada para la escalabilidad horizontal, lo que permite altos niveles de rendimiento, rendimiento y redundancia al tiempo que garantiza la tolerancia a fallas y la alta disponibilidad. La computación a hiperescala a menudo utiliza arquitecturas de servidor altamente escalables y redes virtuales.
La energía requerida para operar un centro de datos es enorme y costosa de expandir. Algunos expertos de la industria esperan que los centros de datos representen hasta el 8% del consumo mundial de electricidad para 2030. Se espera que los módulos ópticos mejoren significativamente el rendimiento con poco consumo de energía adicional. Además de otras aplicaciones de comunicaciones de datos de gran ancho de banda, los centros de datos están superando los límites de la tecnología de módulos ópticos y, en términos más generales, exigiendo más a la tecnología de osciladores.
La función del módulo óptico es convertir las señales ópticas entrantes en señales eléctricas y convertir las señales eléctricas salientes en formato óptico para una transmisión sin errores. Esto plantea el complejo problema de sincronizar los dos dominios de tiempo: el dominio de tiempo de la red óptica y el dominio de tiempo del conjunto de chips en la placa principal. Esto hace que la sincronización precisa sea uno de los factores más importantes dentro de los módulos ópticos. El componente responsable de llenar el intervalo de tiempo (de ahí el nombre de retemporizador) requiere un reloj de referencia que debe tener cada vez menos inestabilidad a medida que las velocidades de datos aumentan de 100 Gbps a 400 Gbps y 800 Gbps.
A medida que se empiezan a utilizar módulos de 400 Gbps, la fluctuación de fase del oscilador de referencia se vuelve cada vez más importante. La fluctuación de fase RMS generalmente se calcula integrando el ruido de fase en frecuencias de compensación de 12 kHz a 20 MHz. El oscilador diferencial SiT9501 de SiTime tiene un ruido de fase de –87 dBc/Hz a una frecuencia de compensación de 100 Hz y –170 dBc/Hz a una frecuencia de compensación de 400 MHz. Cuando está integrado, el ruido de fase cercana provoca una fluctuación de fase RMS de 70 femtosegundos (fs) a una frecuencia de reloj de 156,25 MHz. La fluctuación de fase RMS de un oscilador cuantifica la variación de los flancos del reloj. La fluctuación de fase RMS del reloj de referencia que controla el módulo óptico es particularmente importante ya que agrega fluctuación al flujo de datos en serie que fluye a través del módulo y puede causar errores si esta fluctuación es demasiado grande. A medida que el rendimiento se duplica de 400 Gbps a 800 Gbps, la fluctuación de la señal disminuye proporcionalmente en un factor de dos y debería permanecer similar en el tiempo.
Diagrama de bloques de un módulo óptico con un oscilador MEMS SiTime de baja fluctuación que sincroniza un retemporizador PAM4
Otro factor importante a considerar cuando se calcula la fluctuación de fase es la presencia de ruido de interferencia (espuelas) dentro del ruido de fase. A primera vista, el ruido de fase entre el oscilador MEMS SiT9501 y el oscilador basado en PLL de cristal parece comparable, pero una inspección más cercana revela “espuelas” en el oscilador de bucle de bloqueo de fase (PLL) basado en cristal (Figura 3). El ruido de fase del oscilador SiT9501 está libre de ‘espolones’, lo que da como resultado una fluctuación de fase RMS de solo 70 fs. Por el contrario, la fluctuación de fase RMS total de un oscilador de cristal es de 267 fs. Sin tener en cuenta los “espolones”, la fluctuación de fase RMS de un oscilador de cristal es de solo 90 fs. Esto significa que los “espolones” representan el 60% del jitter total. La avanzada tecnología de PLL entero-N de SiTime permite un ruido de fase denso y un bajo jitter sin “espuelas”.
Figura 3: Comparación de ruido de fase del oscilador MEMS SiT9501 (fluctuación RMS: 70,629 femtosegundos, sin “espuelas”) y el oscilador basado en PLL de cristal (con “espuelas”).
Dado que los módulos ópticos modernos requieren un aumento de 2x a 4x en las velocidades de datos, los componentes incluidos en los módulos deben ofrecer estas mejoras sin aumentar los requisitos de espacio. El oscilador diferencial SiT9501 de SiTime es una solución ideal para diseños de 400 Gbps y 800 Gbps. El tamaño pequeño de solo 70 fs RMS de fluctuación de fase no compromete el rendimiento. Además, el oscilador SiT9501 (paquete de 2,0 x 1,6 mm) incorpora resistencias de polarización de fuente, lo que reduce los requisitos generales de espacio en un 50 % en comparación con los cables del oscilador de cristal de 2,5 x 2,0 mm que se utilizan actualmente.
El oscilador SiT9501 también integra un regulador de voltaje en el chip para filtrar el ruido de la fuente de alimentación y mejorar la integridad de la energía en los diseños de los módulos. Con más de la mitad del módulo óptico consumido por el ensamblaje del láser y la electrónica asociada, dejando poco espacio para el procesamiento de señales y las rutas de datos, estas características integradas y el tamaño pequeño del paquete pueden reducir la huella de tiempo. El ahorro de espacio permite a los fabricantes de módulos utilizar funciones adicionales.
La eliminación de las dos resistencias de polarización reduce el consumo de corriente de la salida acoplada a CA en 32 mA para hacer frente a los estrictos límites de corriente de los módulos ópticos. El SiT9501 también presenta la tecnología FlexSwing, que permite que la oscilación de voltaje diferencial se programe de fábrica de una manera única para cumplir con los requisitos de oscilación de entrada diferencial de cualquier conjunto de chips. FlexSwing permite a los ingenieros trabajar con conjuntos de chips de bajo voltaje con oscilaciones de voltaje no estándar. Al adaptarse a los requisitos exactos de su conjunto de chips, puede eliminar las terminaciones estándar y reducir la corriente hasta en 16 mA con salidas LVPECL acopladas a CC.
Huella y comparación de potencia de un diseño LVPECL acoplado a CA tradicional usando un oscilador 2520 (izquierda) y un oscilador MEMS SiT9501 2016 con resistencias de polarización de fuente LVPECL integradas (derecha).
La evolución de los módulos ópticos a velocidades de datos de 400 Gbps y 800 Gbps está siendo impulsada por nuevas tecnologías que requieren aumentos drásticos en el rendimiento sin aumentar el tamaño y el consumo de energía. Esto hace que el oscilador sea más eficiente energéticamente, utiliza menos espacio y produce menos inestabilidad. El oscilador diferencial SiT9501 de SiTime reduce los requisitos generales de espacio y el consumo de energía con solo 70 fs RMS de fluctuación de fase a través de innovaciones como resistencias de polarización integradas y oscilación de voltaje programable. Los osciladores MEMS de SiTime deben proporcionar soluciones de temporización innovadoras para satisfacer las necesidades de los fabricantes de módulos ópticos y escalar rápidamente el rendimiento para respaldar el rápido avance de los dispositivos de red.
referencia:
Jones, Nicolás. “Cómo evitar que los centros de datos devoren la energía mundial”, Nature News, Nature Publishing Group, 12 de septiembre de 2018.
Ingeniero de marketing de productos Parker Traweek sitio
Parker Traweek es ingeniero de marketing de productos en SiTime, líder del mercado en temporización MEMS. Traweek se unió a SiTime en julio de 2019. Antes de eso, fue ingeniero en prácticas en GridSME. Traweek asistió a la Universidad Politécnica del Estado de California en Pomona.