Si usted es como yo y se pone nervioso si falla su conexión a Internet, si no puede salir de casa sin un smartphone y almacena sus datos en la nube, entonces usted es (al igual que yo)  responsable en parte del enorme aumento que ha experimentado el tráfico en Internet, cuyas previsiones para el año 2014 casi duplican respecto a la actualidad la capacidad necesaria (ver Figura 1. Previsión del volumen de datos en Internet). ¿Se ha preguntado alguna vez la cantidad de datos que cruza océanos, viaja miles de kilómetros y llega hasta su mesa?

El tráfico en Internet está a nuestra disposición de muchas maneras; en el hogar mediante el acceso a Internet por banda ancha o inalámbrico, o en sus dispositivos móviles cuando se está fuera de casa o en movimiento. En el centro de estos sistemas encontrará habitualmente una FPGA. Las FPGA suelen hallarse en todos los aspectos relacionados con las tecnologías de cable e inalámbricas que desarrollan funciones tan diversas como el proceso de paquetes y la gestión del tráfico con el fin de procesar señales de RF para señales de radio 3G o LTE . En concreto los sistemas de comunicación ópticos (por cable) han impulsado con fuerza la funcionalidad y la capacidad actualmente disponible de las familias de FPGA de gama alta y gama media.

Transceptores
Si se observa la evolución de los transceptores en las tecnologías de FPGA, ha venido marcada por la necesidad de conectar ASSP y ASIC en sistemas de comunicación por cable. A finales de la década de 1990 y principios de 2000 se comercializaron las primeras FPGA con transceptores; los dispositivos Mercury(TM) de Altera disponen de hasta 18 transceptores de 1,25Gbps. Estos transceptores son capaces de ofrecer soporte a 1Gbit Ethernet, OC-12/STM-4 (622Mbit/s) y OC-24 (~1,2Gbps), los principales protocoles para SONET/SDH y Ethernet. Estos dispositivos han convertido las FPGA en elementos de proceso para la ruta de los datos que pueden aportar diferenciación a los diseños ya que los diseñadores pueden incorporar funciones donde antes se habría recurrido a un ASSP. Con el desarrollo de las FPGA, las velocidades del transceptor han aumentando para adaptarse a los protocolos más avanzados. Con dispositivos como la familia Stratix® IV se puso en práctica un doble enfoque: los dispositivos Stratix IV GX contaban con transceptores que alcanzaban hasta 8,5Gbps, más que suficiente para ofrecer soporte a interfaces PCIe® Gen 3 y Gen 2, mientras que los dispositivos Stratix IV GT alcanzaban 11,3Gbps para soporte a OTU2 y 10G Ethernet. Cuando se unieron al bloque apropiado de IP se pueden utilizar 10 líneas de 10,3Gbps para 100G Ethernet o junto con un bloque de IP de trama y corrección de error hacia adelante (Forward Error Correction) es posible crear un enlace OTU4.

Las actuales FPGA ofrecen este enorme ancho de banda que aporta la plataforma perfecta para obtener las secciones de generación de tramas/multiplexado de sistemas ópticos. Estas FPGA suelen hallarse en la tarjeta de línea del protocolo de comunicación. Necesitan comunicarse con otras tarjetas del sistema para estar en condiciones de enrutar el tráfico de datos, y es aquí donde resulta útil un backplane. Las modernas FPGA han superado a los conmutadores de backplane y a los ASIC a medida para comunicaciones del backplane de bajo consumo y con una elevada integridad de señal.

Ante el aumento del volumen de datos que entregan las FPGA a las tarjetas de línea el ancho de banda del backplane generalmente ha de duplicar, como mínimo, la velocidad de transmisión de la tarjeta de línea ya que muchos sistemas de comunicación por cable implementan un sistema de doble backplane para obtener redundancia. A medida que aumenta la velocidad de los datos en los sistemas de comunicación también se incrementan las pérdidas en el enlace de un canal determinado. Esto se debe a las pérdidas dependientes de la frecuencia que se originan en el material dieléctrico utilizado (generalmente el efecto del filtro paso bajo). Para compensar estas pérdidas se eleven las frecuencias altas del canal, bien sea mediante un proceso denominado preénfasis (también se le llama ecualización de TX) o por ecualización de la señal recibida por la FPGA. Las FPGA incorporan en su mayoría algún tipo de ecualización del canal: preénfasis, ecualización de recepción o ambas.

Las FPGA Stratix V son compatibles en la actualidad con el protocolo 10GBASE-KR, que es una mejora respecto al estándar 10G Ethernet que permite la transmisión mediante backplanes. Especifica que la ecualización del canal debe ser lo suficientemente buena como para compensar las pérdidas en los dos conectores y ~1m de pista. Esto se expresa como una cifra en dB y la FPGA utiliza una combinación de ecualización lineal y ecualización de realimentación de decisión (Decision Feedback Equalisation, DFE), un filtro con 5 tomas que eleva la señal y elimina la interferencia entre símbolos, para recuperar la señal.

Control óptico
Los avances comentados antes hacen que la FPGA resulte indicada para la sección digital de la cadena de señal, pero ¿qué hay de la propia tecnología óptica? Las mejoras introducidas en las FPGA y que proporcionan una plataforma tan completa para el backplane también ofrecen la posibilidad de controlar directamente los módulos ópticos. Las fibras ópticas presentan numerosas ventajas: pueden transportar enormes cantidades de datos a mayor distancia y a mayor velocidad que las señales que circulan por hilos de cobre sobre una placa de circuito impreso. Aunque sufren dispersión óptica, el resultado es la interferencia entre símbolos. Hasta hace poco era necesario colocar un dispositivo para compensación de dispersión externa (External Dispersion Compensation, EDC) entre el transceptor de la FPGA y el módulo óptico (generalmente un módulo SFP+ para velocidades del orden de 10Gbps) para anular este efecto.
Al combinar ecualización adaptativa (una manera automática de ecualizar las pérdidas del canal) y DFE, una FPGA Stratix V puede controlar módulos SFP+ directamente, y reducir así enormemente el coste, el consumo de energía y el tiempo de espera de un enlace determinado.

Otra técnica para reducir el coste y el consumo de energía consiste en aumentar la frecuencia de los datos enviados. Aunque esto parece contraproducente tras leer antes la descripción de las pérdidas en el canal, en el control óptico se puede ahorrar energía si aumenta la velocidad. Por ejemplo, un módulo óptico de tipo CFP (C Form-Factor Pluggable, es decir, enchufable de formato C) para 100GBASE-LR4 utiliza un formato DP-QPSK que se genera internamente mediante chips de conversión que transforman las 10 entradas/salidas de un transceptor de 10,3Gbps en 4 canales de ~25,6Gbps para modular un láser. Si la FPGA puede generar datos a 25,6Gbps y suministrarlas a un nuevo módulo óptico (CFP2) eliminará un nivel de proceso de señal, reduciendo así el consumo de energía. Las FPGA Stratix V GT de Altera son las primeras FPGA capaces de ofrecer las prestaciones de un transceptor de 25Gbps y 28Gbps. Con cuatro de estos transceptores estas nuevas FPGA en fase de producción se pueden conectar a módulos CFP2 y reducen enormemente el consumo de energía y el coste tal como muestra la Figura 2.

FPGA ópticas
El paso más avanzado en la tecnología de comunicación óptica es una FPGA óptica. Esta nueva tecnología de Altera incluye transceptores ópticos en el encapsulado. Este demostrador de la tecnología (Figura 3) utiliza núcleos ópticos enchufables de Avago Technologies que contienen 10 controladores en un módulo y 10 receptores en una matriz. Se pueden conectar a una fibra multimodo de bajo coste y transmitir datos a más de 100m y 10Gbps. Esta nueva tecnología es una solución al problema que supone transmitir señales en placas de circuito impreso y sistemas de gran tamaño. Ahora las señales de propagan en una fibra óptica con pocas pérdidas en lugar de una placa. Esto permite que los sistemas dispongan de tarjetas de línea colocadas en múltiples niveles o bien en bastidores alejados e integrados de forma parecida a una tarjeta de línea en el mismo backplane.

Realización del sistema
Ante el enorme incremento que previsiblemente experimentará la demanda de ancho de banda para comunicaciones, surge la necesidad de instalar sistemas con funciones de valor añadido con la mayor rapidez posible. Para añadir el valor máximo valor a un producto, los ingenieros necesitan tiempo para innovar en áreas en las que la compañía destaque especialmente. A finales de 2010 Altera adquirió Avalon Microelectronics Inc., un líder en IP para redes ópticas (OTN). Bajo la actual denominación de Newfoundland Technology Centre, se han empleado estos mismos conocimientos de alto nivel para crear bloques de IP para OTN dirigidos a clientes o servicios de diseño que incorporen estos bloques en los sistemas de los clientes, acelerando así enormemente la entrada y la instalación del sistema.

Conclusión
La creciente demanda de productos para la infraestructura de comunicación ha inducido a Altera a desarrollar inicialmente los productos para tarjetas de línea y luego, con el fin de atender el mercado de alta velocidad, los dispositivos ópticos. Se trata de un proceso complementario que impulsa a Altera a desarrollar plataformas tecnológicamente avanzadas para aplicaciones ópticas y de ahí que haya creado dispositivos que puedan resultar beneficiosos para otros muchos mercados de productos de alta velocidad.

Autor:

Craig Davis - Director de Marketing de Producto, Altera Europe

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