Úvod – súčasná situácia
V poslednom desaťročí došlo k obrovskému nárastu šírky pásma v dátových centrách a telekomunikačných aplikáciách, čo viedlo k požiadavkám na vysokú hustotu vstupov/výstupov pre rozhrania namontované na okraji. Požiadavky na vysokorýchlostný prenos presahujú limity bežných medených káblov a posúvajú požiadavky na aktívne zariadenia založené na medenej kabeláži na hranicu možností.
Na zabezpečenie vhodných riešení pre základné prepínače, smerovače a vysoko výkonné počítačové jednotky sa vstavané moduly paralelnej optiky montujú priamo na dosky s plošnými spojmi (PCB). Tým sa zvyšuje integrita signálu, tepelná správa, hustota a konsoliduje sa I/O a EMI/ESD.
Na trhu je viac riešení určených na prepojenie optických vlákien priamo na PCB. Spoločnosť SYLEX, ako výrobca konektora PRIZM® LightTurn® schválený americkou organizáciou CONEC, podporuje vývojárov a výrobcov aktívnych zariadení navrhovaním, výrobou a dodávaním na mieru šitých optických zostáv určených najmä pre prenosové moduly spoločnosti AVAGO.
Úvod do technológie
Konektor PRIZM® LightTurn® bol navrhnutý ako nízkoprofilový, miniatúrny odnímateľný konektor na vysokorýchlostné optické pripojenie priamo na čipy PCB. Zostavy PRIZM® pre palubné moduly AVAGO MiniPOD® a MicroPOD® sa môžu vyrábať buď s plochými páskami, alebo s okrúhlymi káblami v plášti. Ploché páskové káble ponúkajú nízky profil s vysokou hustotou modulov, zatiaľ čo okrúhle káble ponúkajú flexibilnejšie vedenie a odolnú ochranu vlákien.
Spoločnosť SYLEX vyrába na mieru navrhnuté káblové zostavy využívajúce kombináciu konektorov PRIZM® LightTurn® a MTP®, ktoré poskytujú výrazné zvýšenie hustoty portov na okraji karty v porovnaní s bežne používanými modulmi QSFP/QSFP+ alebo paralelnými aktívnymi optickými káblami.
Konektor PRIZM® LightTurn® poskytuje pasívne zarovnanie a nové retenčné funkcie, ktoré umožňujú viacnásobné opätovné zarovnanie kolmo na dosku plošných spojov. Konektor pozostáva z viacvláknovej ferule s fotonickou sústavou šošoviek TIR (totálny vnútorný odraz). To poskytuje vynikajúce prepojenie s miniparalelnými optickými modulmi AVAGO s vysokou šírkou pásma.
Skutočná aplikácia – experiment CMS1
Kompaktný mionový solenoid (CMS) je detektor na všeobecné účely na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC), ktorý sa zaoberá hľadaním novej fyziky a testovaním súčasného najlepšieho modelu vesmíru, štandardného modelu. Pri izolácii zaujímavých udalostí z veľkého množstva procesov v pozadí a ich následnej rekonštrukcii sa stretávame s obrovskými technologickými výzvami. LHC zráža protóny rýchlosťou 40 MHz, avšak vzácne udalosti, ako napríklad tie, ktoré obsahujú Higgsov bozón, sa vyskytujú oveľa menej často. Nie je možné zachovať každú udalosť, pretože by to vyžadovalo výstupnú rýchlosť prenosu dát > 5000 Tb/s, čo ďaleko presahuje súčasné technologické možnosti. Na zabezpečenie toho, aby sa tieto zriedkavé udalosti vyčlenili z veľkého množstva procesov na pozadí, využíva systém CMS sofistikovaný dvojúrovňový spúšťací systém, ktorý vykonáva rýchlu rekonštrukciu udalosti predtým, ako sa rozhodne, či sa udalosť zachová alebo navždy stratí. Prvá vrstva spúšťacieho systému, spúšťač úrovne 1 (L1), musí byť pri vykonávaní týchto úloh neuveriteľne rýchla, čo sa dá dosiahnuť v milióntinách sekundy, a preto ju vykonáva vysoko výkonná elektronika vyrobená na zákazku.
Vývoj novej karty – Master Processor72
Aby bolo možné odhaliť vyššie uvedené udalosti experimentu CMS, je potrebné vyvinúť novú kartu.
Imperial Master Processor, Virtex-7 (MP7) je vysoko výkonný plne optický procesor s dátovým tokom, ktorý je navrhnutý na prevádzku v náročných podmienkach spúšťacieho systému CMS na LHC. MP7 využíva vysoko výkonný FPGA Xilinx Virtex-7 a najmodernejšie technológie optických vlákien, vďaka čomu dokáže vstupovať a výstupovať dáta rýchlosťou 3/4 Tbit za sekundu, čo zodpovedá priemernej globálnej prevádzke celého internetu v roku 2001. Tieto vlastnosti sú kľúčové pri prevádzke spúšťača na LHC, kde je na čítanie a spracovanie veľkého objemu údajov zo subsystémov detektora k dispozícii rozpočet na oneskorenie 3,2 μs, čo zodpovedá spracovaniu údajov rýchlosťou až 10 Tbitov za sekundu. MP7 je základná procesorová doska spúšťača pre modernizáciu spúšťača kalorimetra CMS, od ktorej sa očakáva zlepšenie fyzikálneho výkonu detektora CMS v náročnejších podmienkach plnej energie a vysokej svietivosti, ktoré sa vyskytnú v modernizovanom zväzku LHC.
Špecifikácie použitých optických komponentov
Optické vysielače3
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibu
Veľké požiadavky na vstupy/výstupy na spracovanie údajov v zariadení MP7 spĺňa jeho optické rozhranie, ktoré poskytuje až šesť vysielačov AVAGO MiniPOD a šesť prijímačov. Každý z nich je určený pre superpočítačový priemysel a poskytuje 12 optických prepojení s rýchlosťou až 10,3 Gb/s, čo dáva MP7 celkovú optickú šírku pásma až 740 Gb/s v každom smere. Jednotné rozhranie MP7 na odosielanie a prijímanie údajov ponúka niekoľko výrazných výhod. Hlavnou výhodou je, že doska prestáva mať špecifickú úlohu a stáva sa skutočne všeobecným motorom na spracovanie toku, použitie dosky na konkrétnu úlohu už teda nie je obmedzené šírkou pásma a kompatibilitou jednotlivých typov rozhraní, ale len celkovou šírkou pásma, pričom všetka špecializácia potrebná na úlohu je obsiahnutá v programovaní dosky a prepojení medzi doskami.
Veľký počet vysokorýchlostných optických prepojení v MP7 predstavuje významnú konštrukčnú výzvu, a preto bol dôsledne overený testami spätnej slučky. Pri prevádzke spojov rýchlosťou 10 Gb/s MP7 prenáša 0,48 Tb/s v každom smere. K dnešnému dňu MP7 preniesli viac ako jeden Exabit dát bez pozorovanej chyby, čo predstavuje limit pre bitovú chybovosť na jednu dosku približne 3 × 10-17.
Optické rozhranie
Na zabezpečenie čo najlepšej kompatibility s existujúcou optickou kabelážou sa na prednom paneli karty používajú štyri štandardné MTP® adaptéry ako I/O rozhranie. V štandardnom 48-vláknovom konektore MTP® sa využíva 36 kanálov na každom konektore – všetky kanály v rámci každého MTP® prenášajú dáta v rovnakom smere.
Na dosiahnutie malých rozmerov a vysokej hustoty prenosu dát používajú zariadenia AVAGO MiniPOD na optické rozhranie konektory PRIZM® LightTurn®. Prechod z konektorov PRIZM® LightTurn® na externú prepojovaciu kabeláž MTP zabezpečujú štyri zostavy SYLEX 3xPRIZM-MTP(M)36F OM3 využívajúce nelúpateľnú pásku, čím sa minimalizuje riziko poškodenia v prostredí μTCA s vysokým prietokom vzduchu.
Kompletné informácie o vývoji karty MP7 nájdete na tomto odkaze Imperial College London, HEP Research Group: http://www.hep.ph.ic.ac.uk/mp7/
1 So súhlasom Gregoryho Ilesa, Imperial College, výskumná skupina HEP. Pôvodný text je k dispozícii online na www.hep.ph.ic.ac.uk/mp7/background.html
2 So súhlasom Gregoryho Ilesa, Imperial College, výskumná skupina HEP. Pôvodný text je k dispozícii online na www.hep.ph.ic.ac.uk/mp7/background.html
3 So súhlasom Gregoryho Ilesa, Imperial College, výskumná skupina HEP. Pôvodný text je k dispozícii online na www.hep.ph.ic.ac.uk/mp7/specifications.html
s leo.
