IBM sviluppa un ricevitore ottico da 60 gigabit quasi completamente CMOS

I ricercatori di IBM Research Zurich hanno illustrato in occasione dell'edizione 2017 del Symposia on VLSI Technology and Circuits di Kyoto un ricevitore ottico a 60 gigabit al secondo che verrà abbinato, nel corso dei prossimi 12 mesi, da un corrispondente trasmettitore ottico: insieme i due dispositivi potranno costituire un ricetrasmettitore ottico completo costruito con tradizionali tecniche CMOS ad un costo che si stima essere inferiore rispetto alle normali interconnessioni in rame.

Il ricevitore ottico è di tipo a singola linea, con segnale NRZ e collegamenti basati su laser ad emissione di superficie con cavità verticale (VCSEL). Alessandro Cevrero, ignegnere in forze ad IBM Research Zurich, ha spiegato come il consumo sia estremamente basso rispetto al lavoro condotto da altre realtà che operano nello stesso campo. In particolare si parla di circa 120mW per il ricevitore per un consumo complessivo del ricetrasmettitore completo che dovrebbe poter stare al di sotto dei 300mW.

Il processo CMOS permette di realizzare un dispositivo di ingombro ridotto e i bassi consumi daranno modo di avvicinarlo al processore o al chip di switching, fino addirittura ad inserirlo nello stesso package o sullo stesso die del processore offrendo un'ampia larghezza di banda direttamente dal processore o dal chip di switching fino a 100 metri: una distanza che permette tranquillamente di coprire le esigenze di comunicazione processore-processore, processore-memoria, o server-server all'interno di un rack e da un rack ad uno switch Internet.

La possibilità di realizzare il dispositivo con tecnica CMOS ha permesso ad IBM di raddoppiare la velocità di trasmissione e per questo di ridurre il costo/Gbps della metà. I ricercatori IBM hanno quindi smentito, nella pratica, la necessità di dover utilizzare l'approccio SiGe per avere una adeguata sensibilità ottica a velocità superiori di 32 gigabit al secondo. "Possiamo raggiungere la stessa sensibilità con CMOS, ma ad un consumo energetico molto più basso" ha aggiunto Cevrero.

Il collegamento ottico a 60 gigabit al secondo che IBM ha mostrato dipende ancora da fotorilevatori discreti del gruppo III-V per il ricevitore e da laser discreti del gruppo III-V per il trasmettitore, che altrimenti permetterebbero all'intero dispositivo ricetrasmittente di essere realizzato interamente con tecniche CMOS. Questo approccio permette di non impiegare il germanio, indispensabile invece per gli approcci SoI e SiGe, e pertanto di realizzare dispositivi in grado di operare con bassa dissipazione termica.

Le altre realtà del panorama tecnologico che portano avanti la ricerca in questo campo, come per esempio Intel, usano le tecniche di silicon photonics per modulare la luce di un laser III-V e realizzare un ricetrasmettitore ottico a 25 gigabit al secondo. Intel combina quattro canali per ottenere 100 gigabit al secondo, ma con costi e consumi molto più elevati, pur con l'obiettivo di arrivare entro il 2020 allo stesso risultato di IBM.

Il prototipo che IBM ha realizzato funziona con una lunghezza d'onda di 850 nanometri, che corrisponde alla lunghezza d'onda standard per i collegamenti ottici basati su VCSEL. Thomas Toifl, responsabile dell'Interconnects Group per IBM Research Zurich ha commentato: "Fino ad ora i collegamenti ottici venivano messi da parte per via dei costi più elevati, ma ora abbiamo raggiunto il punto dove i collegamenti ottici e i collegamenti elettrici hanno lo stesso costo. I collegamenti elettrici, comunque, hanno bisogno di una equalizzazione complessa quando si passa ad elevate velocità e quindi richiedono più potenza. Inoltre la loro distanza è limitata a circa due metri, rispetto ai 100 metri della nostra soluzione ottica".

I ricercatori hanno inoltre già esplorato possibili margini di miglioramento con vari tentativi di spingere il prototipo ad oltre 70 gigabit al secondo, anche se si attende la maturazione dei fotodiodi e dei VCSEL adatti allo scopo prima di darene rilevanza pubblica.