Технология оптоэлектроники уже достигла успеха в ряде областей, продемонстрировав черты самостоятельного приборостроения. Уже широко используются волоконно-оптические линии связи, оптическая и голографическая память большой ёмкости, сенсоры изображения и другие устройства, однако все они являются одноканальными системами оптической передачи информации.
Компания Intel совместно с Калифорнийским университетом (University of California, Santa Barbara) продемонстрировала первый в мире гибридный кремниевый лазер с электрической накачкой, который объединяет в себе возможности излучения и распространения света по кремние-
вому волноводу, а также использует преимущества низкой стоимости кремниевого производства. Создание такого устройства – это очередной шаг на пути к получению кремниевых чипов, содержащих десятки и даже сотни дешёвых лазеров, которые в будущем составят основу компьютерной электроники.
Кремниевая фотонная технология становится реальностью, а полупроводниковые микросхемы с интегральными микролазерами позволяет создавать 3D-процессоры с бесконтактными и волоконными многоканальными фотонными связями, осуществляя обмен данными как внутри, так и снаружи ПК с большой пропускной способностью.
Фотонные пространственные соединения в архитектурах вычислительных устройств и систем имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными соединениями, основными из которых являются:
- отсутствие электрического провод-ника, позволяющее осуществлять эффективные пространственные соединения «кристалл – кристалл», «плата – плата»;
- отсутствие взаимного влияния при пересечении лучей света в пространстве;
- возможность сосуществования в одном пространстве нескольких каналов с высокой пропускной способностью;
- параллельная природа светового потока и способность к объединению, обеспечивающие создание гибких параллельных архитектур;
- отсутствие возможности перехватывать информацию в связи с отсутствием излучения оптической системы в окружающую среду;
- устойчивость к электромагнитным помехам.
Все эти преимущества достигаются благодаря тому, что в качестве носителя информации используются фотоны, а не электроны.
Реализация эффективного фотон-электронного интерфейса, обеспечивающего многоканальный ввод-вывод информации в интегральную схему, возможна, если для его организации используются обе поверхности кристалла (см. рис. 9).
Организация фотонного и электронного ввода-вывода информации с использованием двух сторон кристалла позволяет перейти к разработке кремниево-фотонной объёмной (3D) технологии и созданию многоканальных фотон-электронных соединений на уровнях «чип – чип», «плата – плата», «распределённая объектовая связь» (см. рис. 10).
ООО «ОЭС» сформулировало ряд базовых принципов кремниево-фотонной технологии для создания 3D М ФЭ ПМ. Она включает следующие процессы и этапы конструкторско-технологического проектирования и изготовления:
- проектирование высокопроизводительного матричного 3D М ФЭ ПМ с 3D М ФЭ СБИС и управляющим микропроцессором;
- проектирование и изготовление 3D М ФЭ СБИС по кремниевой технологии кристаллов матричных ПЭ с фотонными аналоговыми и цифровыми электронными многоканальными связями;
- проектирование и изготовление 3D М ЭФ СБИС по арсенид-галлиевой технологии кристаллов матричных лазеров с поверхностным излучением фотонов;
- выбор управляющего микропроцессора и полупроводниковой памяти;
- проектирование и изготовление многоканальных линзовых растров, оптических призм и корпусов для многоканальной фотонной связи;
- проектирование и изготовление разъёмов с многоканальными оптическими волокнами;
- проектирование и изготовление многослойной LTCC-платы для 3D М ФЭ ПМ;
- сборка, проверка и паспортизация 3D М ФЭ ПМ.
В 3D М ФЭ ПМ реализуются многоканальные фотонные и электронные связи.
Кристаллы 3D М ФЭ СБИС и 3D М ЭФ СБИС по технологии «кристалл-на-плате» монтируются с двух сторон на LTCC-платы 3D М ФЭ ПМ (см. рис. 11) и закрываются герметичным корпусом с многоканальными оптическими линзовыми растрами. Базовая конструкция модуля 3D М ФЭ ПМ представлена на рисунке 12.
Функциональные матричные 3D М ФЭ СБИС, применяемые в 3D М ФЭ ПМ:
- 3D М ЭФ СБИС ПЛ (см. рис. 13) – электрон-фотонная матрица лазерных диодов поверхностного излучения для генерации многоканальных фотонных сигналов;
- 3D М ФЭ СБИС МП (см. рис. 14–16)– фотон-электронная матрица ПЭ обеспечивает многоканальный АЦП-приём и выдачу фотонных сигналов, цифровую обработку сигналов, функциональную обработку, хранение и коммутацию данных, внутренний и внешний обмен информацией по фотонным и электронным каналам с высокой пропускной способностью;
- 3D М ФЭ СБИС НК – фотон-электронная матрица неблокируемой коммутации фотонных и электрических каналов – маршрутизатор аэрокосмического стандарта SpaceWire.
Состав, технические характеристики и функции 3D М ЭФ СБИС ПЛ:
- формат интегральной матрицы лазерных диодов – 8´8;
- количество фотонных независимых каналов излучения – 64;
- скорость модуляции – до 40 ГГц;
- длина волны фотонного излучения – 850…970 нм;
- пороговый ток – 0,29 мА;
- дифференциальная эффективность N=0,7 Вт/А;
- последовательное сопротивление R=250 Ом;
- пороговое напряжение U=2 В;
- модуляция импульсно-кодовая с непосредственной модуляцией мощности фотонного излучения с помощью АЦП/ЦАП;
- управление – канальное с непосредственной выборкой.
Состав, технические характеристики и функции 3D М ФЭ СБИС МП:
- технология изготовления интегральных кристаллов – КМОП – 90/42 нм;
- формат матрицы ЭП с фотодиодами – 8´8;
- количество пикселей ЭП – 64;
- базовая операция – умножение с аккумулированием;
- основная функция – квадратичная;
- запись, хранение и выдача слайсов и слов информации из внутренней памяти;
- выполнение операций клеточной логики над слайсом памяти;
- копирование слайса памяти по адресу;
- транзит слайсов;
- операция перестановки слов информации путём копирования из ячейки с одним адресом в ячейку с другим адресом;
- канальная пропускная способность аналого-цифрового фотон-электронного импульсного интерфейса более 3,2 Гбит;
- пропускная способность матрицы более 409,6 Гбит;
- импульсный фотонный аналого-цифровой интерфейс – 28´200 МГц;
- электронный процессорный интерфейс, параллельная шина EMIF.
Состав и технические характеристики пикселя ЭП с функциями АЦ-преобразователей:
- формат матрицы – 8´8;
- количество фотонных каналов ввода – 64;
- количество фотонных каналов вывода – 64;
- электронный интерфейс – 64 бит;
- скорость электронного ввода/вывода – до 200 МГц;
- скорость фотонного ввода/вывода – до 200 МГц;
- виды многоканальной связи: фотон-фотонная (транзит), фотон-электронная, электронно-фотонная;
- модуляция – импульсно-кодовая с непосредственной демодуляцией мощности фотонного излучения;
- управление – слайсовое с последовательной выборкой цифровых данных матрицы.
Каждый пиксель фотонного канала ввода/вывода включает:
- ИК приёмный фотодиод;
- усилитель-преобразователь фототока в напряжение;
- 8-разрядный АЦП выходного напряжения усилителя-преобразователя;
- 8-разрядный ЦАП с токовым выходом на излучающие лазерные диоды;
- 8-разрядный регистр данных с интерфейсом ввода/вывода;
- контактные площадки токового выхода и общего катода для монтажа лазерных диодов.
Состав и технические характеристики пикселя ЭП с функциями ПФ:
- матрица из 64 8/16/32-битных пиксель-процессоров ЦОС с последовательным фотонным входом/выходом;
- контроллер 64-разрядной шины EMIFA для связи со скалярным процессором управления;
- контроллер внешней памяти;
- межпиксельный коммутатор;
- реализация разнообразных алгоритмов ЦОС, содержащих операции сложения, вычитания, умножения, сдвигов, логические операции;
- вычисления прямого и обратного БПФ до 1024 точек, разрядность – 8, 16, 32 бита;
- моделирование нейронных сетей, базовые нейрооперации умножения с аккумулированием и вычитания нелинейной функции активации, разрядность – 8, 16, 32 бита;
- вычисление КИХ-фильтра 8 бит / 128 от- счётов, 16 бит / 64 отсчёта, 32 бита / 32 отсчёта, возможность каскадирования нескольких пикселей для увеличения числа отсчётов КИХ-фильтра;
- квадратурная модуляция 8-, 16- или 32-входного сигнала;
- получение и обработка выходных данных других пикселей;
- цифровой синтез сигналов.
Состав и технические характеристики пиксела ЭП с функциями НП:
- осуществление обмена данными по двум интерфейсам;
- реализация коммутации 64 процессоров, каждый из которых имеет внутреннюю память;
- одновременная послайсовая обработка 64 процессорами 64 пар исходных операндов (целочисленная арифметика) под управлением общей микрокоманды (микрокоманда загружается из центрального устройства управления по разделяемой 16-разрядной шине микрокоманд три такта и совмещена с выполнением предыдущей микрокоманды);
- введение в состав каждого пикселя акселератора умножения, частично реализующего матричное умножение, который позволяет умножить два числа за 2n тактов;
- выполнение акселератором умножения также нейроопераций вычисления монжева и евклидова расстояния;
- введение внутри каждого из подмассивов общего сумматора для быстрого сложения аккумуляторов.
Состав и технические характеристики пикселя ЭП с функциями ПП:
- запись, хранение и выдача слайсов и слов информации из внутренней памяти;
- выполнение операции клеточной логики по двум различным шаблонам над слайсом памяти в виде матрицы 8´8;
- выполнение ряда логических операций над слайсами памяти;
- копирование слайса памяти из одного адреса в другой;
- транзит слайсов;
- выполнение операции перестановки слов информации путём копирования из ячейки с одним адресом в ячейку с другим адресом;
- маскируемое копирование слов памяти, предназначенное для реализации команды сборки/разборки по маске;
- генерация нулевого или единого слайса.
Состав, технические характеристики и функции 3D М ФЭ СБИС НК:
- функционирование в соответствии с протоколом SpiceWire (см. рис. 17);
- формат матрицы интеллектуальных пикселей – 8´8;
- тип модуляции – DS-кодирование;
- количество фотонных каналов ввода – 64;
- количество электронных драйверов вывода для подключения лазерных диодов с поверхностным фотонным излучением – 64;
- количество фотонных коммутируемых SpiceWire-каналов – 32;
- количество электронных коммутируемых SpiceWire-каналов – 2;
- скорость фотонных SpiceWire-каналов ввода/вывода – до 400 МГц;
- скорость электронных SpiceWire-каналов ввода/вывода – до 400 МГц;
- электронная шина управления EMIFA.
Состав, технические характеристики и функции системы-на-кристалле 1892ВМ14Я (см. рис. 18):
- процессор 1892ВМ14Я;
- CPU 2xARM Cortex-A9, до 816 МГц;
- DSP 2xELcore-30M, до 672 МГц;
- кодек H.264;
- GPU Mali-300;
- ОЗУ DDR3, 32 бит, 2 ГБ;
- NAND 4 ГБ;
- eMMC 32 ГБ;
- USB 2.0;
- Ethernet 10/100/1000;
- SpaceWire (2 порта);
- видеовходы: TTL 12 бит, MIPI CSI2 4 lanes (2 порта);
- видеовыходы: TTL RGB 24 бит, MIPI DSI 4 lanes;
- аудиовходы: для микрофона, линейный;
- аудиовыходы: для наушников, линейный;
- прочие интерфейсы: SDMMC, I2S, I2C (3 порта), UART (4 порта), SPI (2 порта), PWM (4 канала), MFBSP (LPORT, SPI, I2S, GPIO), GPIO (до 116 портов).
Примечание: ПЛ – матрица параллельных лазеров (3D ФЭ СБИС ПЛ), МП – матрица матричных процессоров (3D М ФЭ СБИС МП), НК – матрица неблокирующих коммутаторов (3D М ФЭ СБИС НК)
Конструктивные единицы базового 3D М ФЭ ПМ (см. рис. 19):
- мезонинная LTCC-плата для монтажа компонентов 3D М ФЭ ПМ;
- 3D М ФЭ СБИС МП – 4 кристалла;
- 3D ФЭ СБИС ПЛ – 4 кристалла;
- корпус 3D М ФЭ КП с линзовыми растрами – 1 шт.;
- 3D М ФЭ СБИС НК – 2 кристалла;
- 3D М ФЭ КЦ – корпус цилиндрический с линзовыми растрами – 2 шт.;
- 3D М ФЭ ОМ – оптический призменный мультиплексор – 2 шт.;
- система-на-кристалле 1892ВМ14Я – 1 шт.;
- многоканальный электрический разъём для электрического питания и функциональных электрических интерфейсов – 1шт.
3D М ФЭ ПМ позволяет реализовать режим потоковой вертикальной обработки информации, поступающей по многоканальным фотонным каналам, «на проходе», без промежуточного её хранения.
Электронные интерфейсы 1892ВМ14Я позволяют 3D М ФЭ ПМ непосредственно сопрягаться с процессорными модулями и датчиками, а фотонные интерфейсы – связываться с удалёнными 3D М ФЭ ПМ через волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) (см. рис. 20).
Применение в самолёте ВОЛС вместо электрических кабелей для функциональной приборной связи позволяет облегчить его конструкцию почти на 6 тонн.
В третьей части статьи будут представлены высокопроизводительные информационно-вычислительные и радиофотонные системы на базе 3D М ФЭ ПМ с сетевой архитектурой.
