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FPGAs aumentan velocidad y distancia en redes ópticas

El fabricante de procesadores lógicos Altera, defiende los beneficios que otorgan los FPGAs en sistemas ópticos multicanal.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

La implementación de procesadores con arreglo de compuertas lógicas programables (FPGAs) en el diseño de sistemas de comunicaciones ópticas multicanal, promueve el incremento de velocidad y la estabilidad de los datos sobre redes de larga distancia, afirma el fabricante de chips Altera, a través de un artículo técnico.

FPGAs aumentan velocidad y distancia en redes ópticas

En su documento titulado “Transfering High-Speed Data Over Long Distances with Combined FPGA and Mutichannel Optical Modules”, la firma señala que actualmente las interfaces seriales a base de cobre pueden ofrecer niveles de transferencia sobre los gigabits por segundo, y pueden construirse múltiples líneas en paralelo, sin embargo, su efectividad decae conforme la distancia de la línea aumenta.

La industria de telecomunicaciones ha investigado activamente para resolver la inefectividad de las comunicaciones a base de cobre sobre líneas de larga distancia, y una de las alternativas descubiertas es el uso de interconexiones ópticas.

Pero si aunado a la tecnología óptica se le suma la flexibilidad de los FPGAs y otros módulos receptores como parte de una solución en un solo chip (SoC) para sustituir las líneas de cobre y alcanzar niveles de transferencia superior a los 100 Gbps sin afectar los datos sobre redes de larga distancia, el resultado es una nueva gama de herramientas para innovar en el sector de las telecomunicaciones.

FPGAs ópticos
Los chips FPGAs ópticos de Altera también combinan tecnología de Avago Technologies, para mantener la integridad de señal.
   

“La cantidad creciente de datos moviéndose en los ‘datacenters’ y el Internet en general, está poniendo en aprietos a la infraestructura para seguir su ritmo. Funciones clave como subsistemas de almacenamiento, switches, ruteadores e incluso los sistemas computacionales están ahora limitados en I/O. La transferencia de datos externa actualmente depende de qué tan rápido y lejos pueden moverse sobre el cableado y otras interconexiones que atan a los switches, ruteadores y redes de almacenamiento juntos”, menciona Altera en su documento.

Para compensar la degradación de la señal en cableado de cobre, se emplean complejos sistemas de procesamiento de datos para ecualizar las señales de entrada y salida. No obstante, esta solución solo es efectiva en sitios donde las distancias solo son de algunas decenas de metros, como sucede en los centros de datos, donde las redes alimentan los grandes servidores informáticos, y la práctica de esta solución se vuelve inefectiva al someter cableados masivos sobre distancias más largas, lo que deriva además en un incremento en los costos de inversión.

ASICs
Esquemático de los chips ópticos.
 

Una propuesta para resolver la degradación de señal sobre largas distancias es el uso de fibra óptica en lugar del cableado de cobre, pero es notable que aun así los costos de esta tecnología no son nada convincentes, principalmente porque muchas de las tarjetas electrónicas poseen circuitos integrados costosos que consumen grandes cantidades de energía.

La mejor opción es recurrir a empaquetados que cuentan con módulos embebidos como una porción lógica interna, tal es el caso de puertos seriales de alta velocidad, como ocurre con algunos de los más recientes chips FPGAs que integran la flexibilidad para sacar el mejor provecho y eficiencia al montarlos en las placas principales de los sistemas controladores, pero esto a su vez implica conectarlos a la placa base teniendo sumo cuidado en realizar las interconexiones adecuadas con los módulos ópticos complementarios sobre el PCB.

Como anteriormente se señaló, existen diversas ventajas al implementar FPGAs en la construcción de redes de comunicación de largas distancias y altas velocidades, pues según defiende Altera en su artículo técnico, existe mayor flexibilidad y posibilidad al reconfigurar los sistemas e integrar procesadores con compuertas lógicas programables. La naturaleza electrónica de estos dispositivos hace aptos para utilizarlos en la construcción de sistemas de comunicación con altos requerimientos de transferencia de datos y funciones I/O.

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Por ejemplo, las interfaces seriales LVDS de alta velocidad y los puertos serializadores/deserializadores (SERDES) con capacidades de 1 Gbps han sido los primeros componentes de la industria en integrarse en FPGAs, y posteriormente los módulos de 3 Gbps fueron los siguientes.

Rendimiento chips
Rendimiento que registran los chips ópticos para las comunicaciones de larga distancia.
 

Actualmente los más modernos dispositivos FPGAs incorporan SERDES con capacidades de transferencia superior a los 10 Gbps, como es el caso de la gama Altera Stratix V de 28 nanómetros que otorga hasta 28 Gbps, además de otros atributos como más flexibilidad que crean sus millones de compuertas lógicas programables, módulos estáticos de memoria, núcleos de procesamiento, ciclos de fase PLLs, bloques DSP, canales PCI Express y controladores de memoria.

“Todos los recursos disponibles en los FPGAs permiten a los diseñadores configurar muchas funciones de sistemas en la lógica del dispositivo con el fin de reducir el número de circuitos requeridos en la tarjeta. Además, la naturaleza configurable de los FPGAs ayuda a los diseñadores a actualizar las funciones lógicas o agregar y remover elementos, parches, errores de sistema o simplemente elevar el rendimiento”, refiere Altera.

Para minimizar la distancia entre los FPGAs y los módulos ópticos, y al mismo tiempo decrecer la energía y la cantidad de materiales en las conexiones del módulo y el chip, Altera incorporó tecnología de Avago Technologies, para integrar módulos receptores y transmisores ópticos en el chip para reemplazar las múltiples tarjetas ópticas con transceptores ópticos que suelen compararse adicionalmente para el desarrollo de estos sistemas, tal como se muestra circulado de color azul en la siguiente ilustración:

Transceptores ópticos
Transceptores ópticos
 

En la tarjeta se utilizó un chip Stratix IV GT FPGA con 32 puertos SERDES de alta velocidad con capacidad de transferir cada una a 11 Gbps, y una docena de estos puertos están interconectados directamente a los módulos ópticos Avago MicroPOD.

Cabe mencionar que los módulos ópticos embebidos de Avago en la tecnología de Altera preservan presumiblemente la integridad de señal que demandan los sistemas más avanzados del momento, además ayudan a reducir la contaminación por Interferencia Electromagnética (EMI) y la exposición de los sistemas a las descargas electrostáticas (ESD), según refiere el documento.

El sistema es calificado por Altera como eficiente en términos energéticos, por lo que sostiene de esta nueva solución que abre oportunidades a opciones de refrigeración debido a que los conectores ópticos pueden ser colocados muy cercanamente a los chips ASIC o los FPGAs.

“Para extender la capacidad más allá de un simple FPGA o un ASIC, se puede configurar una estructura multinivel con múltiples FPGAs o ASICs como sucede con los formatos ‘Clos’ de tres niveles. Aunque los sistemas sean modestamente escalables, el rendimiento se puede alcanzar utilizando una sola interface eléctrica entre los ASICs, y debido a que diversos sistemas requieren múltiples chasises, se pueden utilizar múltiples interconexiones ópticas”, agregó Altera.

La firma reconoció que actualmente las telecomunicaciones evolucionan a ritmos sin precedentes, y las compañías que fabrican el hardware para esta tecnología están obligadas a seguir esforzándose para retroalimentar a la comunidad de ingenieros desarrolladores en sus proyectos de integración o escalamiento tecnológico utilizando alternativas como los sistemas ópticos.

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