eng
Выпуск #6/2011
Д.Слюсар, В.Слюсар
Беспроводные сети на кристалле – перспективные идеи и методы реализации
Беспроводные сети на кристалле – перспективные идеи и методы реализации
Просмотры: 5909
При проектировании систем на кристалле перед разработчиками часто стоит проблема задержек и рассинхронизации сигналов. Различные методы организации сетевых структур на кристалле, теоретически позволяющие минимизировать задержки и потери, имеют недостатки и сложны в реализации. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы представляется парадигма беспроводных сетей на кристалле, которая позволяет обойти ограничения классических сетей, а также обеспечить связь между наномасштабными компонентами микросхем и макроуровнем.
Теги: microelectronics system-on-chip wireless networks беспроводные сети микроэлектроника системы на кристалле
Сети на кристалле
Парадигма сети-на-чипе (Network on Chip, NoC) возникла как методология проектирования мультиядерных чипов [1] и стала важным направлением развития систем на кристалле (System on chip, SoC). Возможности NoC с традиционной двумерной топологией были ограничены высокими временными задержками передачи сигналов и энергетическими потерями, возникающими из-за омического сопротивления и деления мощности при разветвлении цепей. Для решения этих проблем предлагались различные методы – использование радиочастотных [2] и оптических волноводных [3] линий, а также трехмерной архитектуры NoC [4] – перспективного направления, позволяющего преодолеть ограничения закона Мура. Но все эти технологии имеют серьезные недостатки. Высокая интеграция элементов NoC в трехмерном исполнении усложняет отвод тепла из центральных областей и ухудшает температурный режим при работе на высоких частотах. Задача размещения в микросхеме большого количества оптических волноводов и интегрированных оптоэлектронных устройств технологически сложна и нетривиальна, а для достижения высокой пропускной способности радиочастотных линий необходимо множество высокочастотных генераторов и фильтров. Все эти сложности заставили разработчиков искать иные пути обхода ограничений классических сетей на кристалле с металлическими проводниками.
Возможности реализации беспроводной связи
В последнее время усилия многих специалистов сосредоточились на теории создания беспроводных сетей на чипе (Wireless Network on Chip, WiNoC) [5]. Нужно отметить, что идея WiNoC важна также и для развития нанотехнологий. На сегодняшний день актуальна проблема обеспечения электрического контакта наноэлектронного устройства или схемы и макроскопического элемента без существенных потерь в достижимой на наноуровне плотности тока. Используемый сейчас метод литографического изготовления контактных площадок неэффективен для широкомасштабной параллельной обработки сигналов, требующей объединения множества наносистем на кристалле.
Эту проблему можно решить с помощью беспроводной связи. Для реализации бесконтактных соединений между слоями микросхемы могут использоваться эффекты емкостной связи между миниатюрными контактными площадками [6] или индуктивной – между спиральными катушками индуктивности [7].
Как отмечено в [8], реализация емкостной связи при толщине слоя более 1 мкм требует мощности более 10 мВт на одиночный контакт, что неприемлемо при большом (>1000) количестве связей между чипами. Впрочем, по сравнению с проводными соединениями величину 10 мВт можно считать неплохим показателем. Например, при скорости передачи данных 23 Гбит/с традиционный проводный контакт рассеивает мощность около 200 мВт, а контактная пара на основе металлических микросфер – 20 мВт. Тем не менее, энергетически выгодней применять индуктивную связь (рис.1). Например, при технологической норме изготовления индукторов 90 нм при скорости 23 Гбит/с рассеиваемая мощность снижается до 2 мВт на контакт или – в пересчете на удельное энергопотребление – до рекордных 0,11 пикоДж/бит в режиме передачи данных и 0,03 пикоДж/бит – в режиме приема [9].
Дополнительной иллюстрацией к сказанному может служить рис.2. Для типового рабочего диапазона значений S21 (закрашенный прямоугольный участок на графике) у емкостного интерфейса удельное сопротивление на три порядка больше, чем у индуктивного. Поэтому использование емкостной связи возможно только при передаче данных в двух смежных слоях микросборки, тогда как для индуктивного варианта это удается сделать без существенных потерь в энергетике сигнала даже при числе слоев более трех.
Результаты моделирования показали, что для получения достаточно большого коэффициента магнитного сцепления размер катушки индуктивности должен быть как минимум в два раза больше, чем расстояние между индукторами в соосной паре (рис.3). Чтобы повысить чувствительность индуктивного перехода, дополнительно в цепь индуктора подключают конденсатор. Получившийся в результате резонансный LC-контур должен быть настроен на максимум спектральной полосы сигналов.
Для реализации многоканальной индуктивной связи используются параллельно расположенные решетки индукторов с шагом 20–30 мкм (рис.4). Примечательно, что согласно [9] для шага 30 мкм нарушение соосности индуктивной пары в 3 мкм может быть скомпенсировано 5%-ным повышением мощности сигнала. В то же время в работе [8] требования к точности выравнивания взаимного положения индукторов снижены примерно до половины размера катушки индуктивности. В целом же для увеличения развязки соседних индуктивных каналов может использоваться многофазное кодирование импульсных сигналов во времени в смежных индукторах.
В работе [9] предложен локальный беспроводный интерфейс (LWI) передачи данных в стеке из десяти и более чипов толщиной 50–2000 мкм, основанный на использовании индуктивной связи. В демонстрационном образце микросхемы, выполненной по CMOS-технологии 0,25 мкм, с помощью индукторной пары между двумя чипами в стеке была достигнута скорость передачи данных 800 Mбит/с при напряжении 2,5 В и рассеиваемой мощности 9 мВт. Энергопотребление можно снизить, используя технологию 0,18 мкм, – даже при скорости 2 Гбит/с потребуется всего 1 мВт на контактную пару. В этом демонстрационном образце максимальная скорость передачи была ограничена быстродействием компараторов, обеспечивающих селекцию импульсных сигналов по выходам индукторов. Параметры индуктивного интерфейса можно улучшить, оптимизируя размеры и форму катушек индуктивности, их взаимную ориентацию, толщину чипа и рассеиваемую мощность.
Описанный выше локальный индуктивно-резонансный интерфейс может быть использован для передачи асинхронных сигналов внутри стековой микросборки и тактовых импульсов глобальной синхронизации. Но, несмотря на преимущества индуктивной передачи данных, рассмотренный вид бесконтактных соединений позиционируется в основном как интерфейс ближнего действия, предназначенный для обеспечения связи в пределах нескольких уровней одного стека микросборки. Для реализации более протяженных линий передачи данных предподчительней использовать радиоканал. Так, в работе [9] в дополнение к локальной индуктивной передаче данных предложен глобальный радиоинтерфейс (GWI) на основе дипольных антенн, обеспечивающий информационный обмен в микросборке из расположенных друг над другом кремниевых чипов, без ограничения по высоте (рис.5). Потери на распространение гармонических колебаний в многослойной сборке, выполненной с использованием технологии 0,18 мкм, составляют 0,14 дБ/чип при частоте 20 ГГц (погонное сопротивление кремниевой подложки – 2,29 кОм/см). Передачу тактовых сигналов в стековой сборке рекомендовано осуществлять с помощью импульсных последовательностей синусоидальных колебаний в диапазоне 10 ГГц.
В работе [11] предлагается использовать гибридную индуктивно-антенную технологию передачи сигналов в стековых конструкциях видеосистем (рис.6).
Обобщенный принцип такой гибридной организации обмена данными может использоваться для связи между несколькими стековыми микросборками (рис.7, [12–15]). Однако рассмотренный в [12–14] вариант беспроводной передачи данных упрощен и не использует всех возможностей современных телекоммуникационных технологий.
Беспроводная сеть на кристалле
Увеличивающийся интерес к технологиям NoC среди разработчиков систем на кристалле способствовал появлению еще одной разновидности беспроводных сетей на кристалле (Wireless Network on Chip, WiNoC), в которых используются решения, сходные с макроскопическими.
Среди возможных подходов к реализации WiNoC в первую очередь следует отметить использование в одном кристалле и беспроводных, и традиционных проводниковых линий передачи сигналов. При этом вся система на кристалле условно делится на подсети из групп ядер, внутри которых коммуникация осуществляется проводными линиями.
Каждая такая подсеть оборудована базовой станцией (БС), обеспечивающей передачу и получение пакетов данных по радиоканалам от других подсетей. Все ядра в подсети связаны с их БС через проводные линии связи. Передача пакета данных между ядрами разных подсетей осуществляется сначала локально до соответствую
Парадигма сети-на-чипе (Network on Chip, NoC) возникла как методология проектирования мультиядерных чипов [1] и стала важным направлением развития систем на кристалле (System on chip, SoC). Возможности NoC с традиционной двумерной топологией были ограничены высокими временными задержками передачи сигналов и энергетическими потерями, возникающими из-за омического сопротивления и деления мощности при разветвлении цепей. Для решения этих проблем предлагались различные методы – использование радиочастотных [2] и оптических волноводных [3] линий, а также трехмерной архитектуры NoC [4] – перспективного направления, позволяющего преодолеть ограничения закона Мура. Но все эти технологии имеют серьезные недостатки. Высокая интеграция элементов NoC в трехмерном исполнении усложняет отвод тепла из центральных областей и ухудшает температурный режим при работе на высоких частотах. Задача размещения в микросхеме большого количества оптических волноводов и интегрированных оптоэлектронных устройств технологически сложна и нетривиальна, а для достижения высокой пропускной способности радиочастотных линий необходимо множество высокочастотных генераторов и фильтров. Все эти сложности заставили разработчиков искать иные пути обхода ограничений классических сетей на кристалле с металлическими проводниками.
Возможности реализации беспроводной связи
В последнее время усилия многих специалистов сосредоточились на теории создания беспроводных сетей на чипе (Wireless Network on Chip, WiNoC) [5]. Нужно отметить, что идея WiNoC важна также и для развития нанотехнологий. На сегодняшний день актуальна проблема обеспечения электрического контакта наноэлектронного устройства или схемы и макроскопического элемента без существенных потерь в достижимой на наноуровне плотности тока. Используемый сейчас метод литографического изготовления контактных площадок неэффективен для широкомасштабной параллельной обработки сигналов, требующей объединения множества наносистем на кристалле.
Эту проблему можно решить с помощью беспроводной связи. Для реализации бесконтактных соединений между слоями микросхемы могут использоваться эффекты емкостной связи между миниатюрными контактными площадками [6] или индуктивной – между спиральными катушками индуктивности [7].
Как отмечено в [8], реализация емкостной связи при толщине слоя более 1 мкм требует мощности более 10 мВт на одиночный контакт, что неприемлемо при большом (>1000) количестве связей между чипами. Впрочем, по сравнению с проводными соединениями величину 10 мВт можно считать неплохим показателем. Например, при скорости передачи данных 23 Гбит/с традиционный проводный контакт рассеивает мощность около 200 мВт, а контактная пара на основе металлических микросфер – 20 мВт. Тем не менее, энергетически выгодней применять индуктивную связь (рис.1). Например, при технологической норме изготовления индукторов 90 нм при скорости 23 Гбит/с рассеиваемая мощность снижается до 2 мВт на контакт или – в пересчете на удельное энергопотребление – до рекордных 0,11 пикоДж/бит в режиме передачи данных и 0,03 пикоДж/бит – в режиме приема [9].
Дополнительной иллюстрацией к сказанному может служить рис.2. Для типового рабочего диапазона значений S21 (закрашенный прямоугольный участок на графике) у емкостного интерфейса удельное сопротивление на три порядка больше, чем у индуктивного. Поэтому использование емкостной связи возможно только при передаче данных в двух смежных слоях микросборки, тогда как для индуктивного варианта это удается сделать без существенных потерь в энергетике сигнала даже при числе слоев более трех.
Результаты моделирования показали, что для получения достаточно большого коэффициента магнитного сцепления размер катушки индуктивности должен быть как минимум в два раза больше, чем расстояние между индукторами в соосной паре (рис.3). Чтобы повысить чувствительность индуктивного перехода, дополнительно в цепь индуктора подключают конденсатор. Получившийся в результате резонансный LC-контур должен быть настроен на максимум спектральной полосы сигналов.
Для реализации многоканальной индуктивной связи используются параллельно расположенные решетки индукторов с шагом 20–30 мкм (рис.4). Примечательно, что согласно [9] для шага 30 мкм нарушение соосности индуктивной пары в 3 мкм может быть скомпенсировано 5%-ным повышением мощности сигнала. В то же время в работе [8] требования к точности выравнивания взаимного положения индукторов снижены примерно до половины размера катушки индуктивности. В целом же для увеличения развязки соседних индуктивных каналов может использоваться многофазное кодирование импульсных сигналов во времени в смежных индукторах.
В работе [9] предложен локальный беспроводный интерфейс (LWI) передачи данных в стеке из десяти и более чипов толщиной 50–2000 мкм, основанный на использовании индуктивной связи. В демонстрационном образце микросхемы, выполненной по CMOS-технологии 0,25 мкм, с помощью индукторной пары между двумя чипами в стеке была достигнута скорость передачи данных 800 Mбит/с при напряжении 2,5 В и рассеиваемой мощности 9 мВт. Энергопотребление можно снизить, используя технологию 0,18 мкм, – даже при скорости 2 Гбит/с потребуется всего 1 мВт на контактную пару. В этом демонстрационном образце максимальная скорость передачи была ограничена быстродействием компараторов, обеспечивающих селекцию импульсных сигналов по выходам индукторов. Параметры индуктивного интерфейса можно улучшить, оптимизируя размеры и форму катушек индуктивности, их взаимную ориентацию, толщину чипа и рассеиваемую мощность.
Описанный выше локальный индуктивно-резонансный интерфейс может быть использован для передачи асинхронных сигналов внутри стековой микросборки и тактовых импульсов глобальной синхронизации. Но, несмотря на преимущества индуктивной передачи данных, рассмотренный вид бесконтактных соединений позиционируется в основном как интерфейс ближнего действия, предназначенный для обеспечения связи в пределах нескольких уровней одного стека микросборки. Для реализации более протяженных линий передачи данных предподчительней использовать радиоканал. Так, в работе [9] в дополнение к локальной индуктивной передаче данных предложен глобальный радиоинтерфейс (GWI) на основе дипольных антенн, обеспечивающий информационный обмен в микросборке из расположенных друг над другом кремниевых чипов, без ограничения по высоте (рис.5). Потери на распространение гармонических колебаний в многослойной сборке, выполненной с использованием технологии 0,18 мкм, составляют 0,14 дБ/чип при частоте 20 ГГц (погонное сопротивление кремниевой подложки – 2,29 кОм/см). Передачу тактовых сигналов в стековой сборке рекомендовано осуществлять с помощью импульсных последовательностей синусоидальных колебаний в диапазоне 10 ГГц.
В работе [11] предлагается использовать гибридную индуктивно-антенную технологию передачи сигналов в стековых конструкциях видеосистем (рис.6).
Обобщенный принцип такой гибридной организации обмена данными может использоваться для связи между несколькими стековыми микросборками (рис.7, [12–15]). Однако рассмотренный в [12–14] вариант беспроводной передачи данных упрощен и не использует всех возможностей современных телекоммуникационных технологий.
Беспроводная сеть на кристалле
Увеличивающийся интерес к технологиям NoC среди разработчиков систем на кристалле способствовал появлению еще одной разновидности беспроводных сетей на кристалле (Wireless Network on Chip, WiNoC), в которых используются решения, сходные с макроскопическими.
Среди возможных подходов к реализации WiNoC в первую очередь следует отметить использование в одном кристалле и беспроводных, и традиционных проводниковых линий передачи сигналов. При этом вся система на кристалле условно делится на подсети из групп ядер, внутри которых коммуникация осуществляется проводными линиями.
Каждая такая подсеть оборудована базовой станцией (БС), обеспечивающей передачу и получение пакетов данных по радиоканалам от других подсетей. Все ядра в подсети связаны с их БС через проводные линии связи. Передача пакета данных между ядрами разных подсетей осуществляется сначала локально до соответствую