Optoelektronische Breitband-Bus-Systeme
 
 
Projekt in Vorbereitung
"Optoelektronische Breitband-Bus-Systeme"
Peter Laws
Stand der Technik
Die ständig ansteigenden Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeiten moderner Rechner haben in den letzten 10 Jahren zu einer enormen Erhöhung der Prozessor-Taktfrequenzen bis in den Bereich 500 MHz geführt. Es ist abzusehen, dass z.B. im Jahre 2002 durch weitere Reduktion der Prozessor-Struktur-Elemente auf 0.1 Mikrometer die Prozessor-Taktfrequenzen auf ca. 1 GHZ gesteigert werden können. Prognosen sprechen sogar davon, dass in den nächsten 6 Jahren die weiterentwickelten Prozessoren mit Taktfrequenzen im Bereich 8 GHz arbeiten werden [1].

Sollen derartige Prozessoren, die voraussichtlich eine 64-Bit-Architektur aufweisen werden, innerhalb eines Rechners wirklich effektiv eingesetzt und ausgenutzt werden, sind die zugeordneten Rechner-Bus-Systeme auf diese hohen Taktraten und Architekturen anzupassen.

Derzeit sind die Subsysteme eines modernen PC's (CPU, RAM, ROM, I/O-Einheiten, Laufwerke) über eine galvanisch strukturierte Mutterplatine und entsprechende Steck-Verbindungen miteinander verbunden. Der Transfer der Daten-, Takt-, Status- und Steuersignale erfolgt dabei über galvanische, parallel verlaufende 32-Bit-Daten- und Adress-Bus-Leitungen bzw. über zusätzliche Einzelleitungen mit Bus-Taktfrequenzen im Bereich 70 MHz.

Eine weitere massive Erhöhung der Bus-Taktfrequenzen und gleichzeitig die Verdoppelung der Wortbreite auf 64 Bit führen bei galvanisch strukturierten Bus- und Steuer-Leitungen auf gravierende Schwierigkeiten und stoßen auf physikalisch bedingte Grenzen:

Wegen der festliegenden Abhängigkeiten der Widerstands- und Kapazitätsbeläge der Leitungsabmaße läßt sich z.B. die Bandbreite der Bus-Leitungen durch weitere Miniaturisierung der Leitungsstrukturen, wie man zeigen kann, nicht mehr wesentlich erhöhen.

Ferner treten bei hohen Bus-Taktraten durch die Takt-Schräglage, die durch unterschiedlich lange Leitungen verursacht wird, ferner durch Reflexionen am Ende einer jeden galvanischen Busleitung sowie durch Übersprechen zwischen den einzelnen Bus-Leitungen zunehmend Störungen bei der Übertragung von Daten und Steuersignalen auf.

Auch bei Abschluß aller Bus- und Steuerleitungen mit reflexionsmindernden, aber zusätzliche Verlustwärme erzeugenden Impedanzen ist eine flexible Erweiterung einer vorhandenen Rechner-Konfiguration durch ein neu dazukommendes Subsystem nicht mehr möglich, weil sich durch die Hinzuschaltung eines weiteren Subsystems die Reflexionsverhältnisse komplett ändern.

Diese und weitere Schwierigkeiten auf der einen Seite und andererseits die Weiterentwicklung der Halbleiter-Laser haben vor etwa 15 Jahren weltweit zu Überlegungen geführt, eine erhebliche Erhöhung des Daten-Durchsatzes dadurch zu erreichen, dass der innerhalb eines Rechners oder eines Multi-Prozessor-Systems anfallende Daten-Transfer mehr und mehr auf optoelektronische Bus-Systeme verlagert wird.

Parallel zu der Entwicklung der Konzepte für neue optoelektronische Bus-Systeme verlief die Entwicklung neuer mikro-optischer Bauelemente, die zum Aufbau der optoelektronischen Bus-Systeme benötigt werden (Übersicht in [2]). Hier sind zu nennen

  • vertikal emittierende Laserdioden (VCSELs: Vertical Cavity Surface Emitting Laserdiodes) [3], die im Gegensatz zu kanten-emittierenden Halbleiter-Lasern z.B. als integrierte kostengünstige Arrays hergestellt werden können, einen hohen Wirkungsgrad bei kreisrundem Abstrahl-Profil aufweisen, mit hoher Taktrate im Bereich Gbit/s zu betreiben sind und auf gleicher Substratfläche oder per Flip-Chip-Technik mit Photodetektoren oder Photodetektor-Arrays kombiniert werden können,
  • Photodioden und Photodioden-Arrays kombiniert mit integrierten Breitband-Transimpedanz-Konvertern,
  • integrierte SEED-Arrays (SEED: Self-Electro-Optic Effect), die als 2D-Spatial-Lichtmodulatoren oder optisch bistabile 2D-Logik-Arrays einzusetzen sind,
  • hochauflösende Flüssigkristall-Arrays, die ebenfalls als 2D-Spatial-Lichtmodulatoren arbeiten,
  • integrierte Mikro-Lichtwellenleiter (inkl. Splitter und Combiner), die als Mono- oder Multi-Mode-Leiter aus Gläsern, Halbleiter- oder Polymer-Materialien bestehen und in Schichten mit niedrigerem Brechungsindex eingebettet sind,
  • die zum Teil integrierbaren refraktiven Bauelemente wie Mikro-Linsen und Mikro-Prismen,
  • reflektive Bauelemente wie starre Mikro-Spiegel, steckbare Mikro-Spiegel (OptoPin) und steuerbare, deformierbare Mikro-Spiegel,
  • diffraktive Bauelemente, die als miniaturisierte Amplituden- oder Phasengitter oder als Hologramme auftreffende Lichtstrahlen definiert fokussieren, ablenken, aufteilen oder zusammenführen, und
  • Mikro-Glasfaser-Steckverbinder
Die genannten mikro-optischen Bauelemente stellen neben den elektronischen Ansteuer- Verstärkungselementen die Grundelemente für hochratige optoelektronische Bus-Systeme dar, die inzwischen in den verschiedensten Ausführungen entweder als Konzepte, als rechnersimulierte Systeme oder als Labor-Demonstratoren vorgestellt bzw. entwickelt wurden (Überblick in [2], weitere Hinweise in [4], [5]).

Die bislang publizierten und zum Teil bereits eingesetzten optoelektronischen Bus-Systeme lassen sich grob wie folgt einteilen:
 

  • Chip-to-Chip- und Board-to-Board-Systeme, bei denen einzelne daten- oder takttragende Lichtsignale über mikro-optische Bauelemente (z.B. Linsen, Hologramme, Spiegel) an Freistrahl- oder Glasfaser-Verbindungen angekoppelt und dadurch übertragen werden,
  • Electrical-Optical-Circuit-Board-Systeme (EOCB), bei denen die auf einer Multilayer-Platine beidseitig angebrachten elektronischen ICs und optoelektronischen ICs, die die erforderlichen Lichtkonverter (Laser- und Photodioden) enthalten, über galvanische Leiterbahnen und über einen als mittlere Schicht realisierten Wellenleiter die Daten austauschen [6].
  • Optical-Backplane-Syteme, bei denen alle Elektronik-Platinen oder Baugruppen seriell oder parallel über Laser- und Photodioden und über die daran geeignet angekoppelten Lichtleiter-Strukturen der Optical-Backplane miteinander kommunizieren.

 
Eigene Arbeiten und zukünftige Projekte
Die Forschungsgruppe "Optoelektronische Signalverarbeitung" des Fachgebiets Nachrichtentechnik bearbeitete seit Gründung der Gruppe im Jahr 1984 neben den Projekten "Integrierbare optoelektronische Filter", "Optoelektronische Pre-Prozessoren" und "Optisch gesteuerte Mikrowellenfilter" Projekte zur schnellen optoelektronischen Datenverarbeitung, und zwar zum Teil unter der Förderung durch die Industrie, durch die DFG, durch die Siemens AG (im Rahmen des BMFT-Forschungsvorhabens "GaAs-Photonik) und durch das Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes NRW.

Angeregt durch die massiven Fortschritte, die ganz besonders bei der Weiterentwicklung der integrierten vertikal emittierenden Laser [3] erzielt werden konnten, sollen in der Forschungsgruppe "Optoelektronische Signalverarbeitung" in allernächster Zeit die Arbeiten an optoelektronischen Breitband-Bus-Systemen wiederaufgenommen werden. Als Basis dieser zukünftigen Arbeiten dienen die im Fachgebiet Nachrichtentechnik bereits entwickelten optoelektronischen Breitband-Bus-Systeme. Zu nennen sind hier
 

  • das serielle Bus-System "Optobus", das mit einer Transfer-Rate von 200 Mbit/s arbeitet und auf der Hannover-Messe 1986 zunächst als Demonstrator, dann auf der Hannover-Messe 1989 als Bus-System eines funktionsfähigen Spezial-Rechners für die Messwert-Erfassung präsentiert wurde [7], [8], [9],
  • das optische Bus-System mit optisch parallelem Plattenstapel (OPPS-Bus), bei dem die parallel anliegenden Bus- und Steuersignale mittels elektrooptischer Wandler in Lichtsignale umgewandelt, in parallel angeordneten Lichtleiterplatten per Totalreflexion z.B. bei einem Plattendurchmesser von 12 cm mit ca. 2 Gbit/s übertragen und auf der Empfangsseite über optoelektronische Wandler wieder in elektrische Signale zurückgewandelt werden [10] - [14],
  • das optische Bus-System mit optisch paralleler Streifenplatte (OPSP-Bus), bei dem die parallel anliegenden Bus- und Steuersignale mittels elektrooptischer Wandler in Lichtsignale umgewandelt, in parallel angeordneten Streifenleiterplatten per Totalreflexion z.B. bei einer Streifenlänge von 7 cm ebenfalls mit 2 Gbit/s übertragen und auf der Empfangsseite über optoelektronische Wandler wieder in elektrische Signale zurückgewandelt werden [15], [16].
Schwerpunkt der für die unmittelbare Zukunft geplanten Untersuchungen wird das optische Bus-System mit optisch parallelem Plattenstapel (OPPS-Bus) sein, das wegen der Kreis-Symmetrie seiner lichtleitenden Platten (siehe Abb. 1) eine Taktsignal-Verteilung ermöglicht, die die Takt-Schräglage (clock skew) praktisch vermeidet.
 
 
 
Abb. 1 
8-Bit-Demonstrator für einen mit 1.4 GHz arbeitenden OPPS-Bus
Plattenspezifikationen: PMMA-Material, Durchmesser D = 12 cm; Dicke d = 1 mm

Die geplante Weiterentwicklung des OPPS-Busses wird unter folgenden Zielsetzungen durchgeführt:
 

  • Wesentliche Erhöhung der augenblicklich realisierten Bus-Taktrate 1.4 GHz, die bei einem Platten-Durchmesser D=12 cm und einer Platten-Dicke d=1 mm beobachtet wird, durch weitere Reduzierung der Platten-Abmaße, die zu einer Reduzierung der durch Mehrwege-Ausbreitung verursachten Lichtsignal-Dispersion führt.
  • Bestimmung der an der Platten-Peripherie beobachtbaren Strahlungsleistung unter Berücksichtigung der Strahlungscharakteristik der peripher angekoppelten VCSEL-Dioden.
  • Optimierung der an der Platten-Peripherie beobachtbaren Strahlungsleistung durch geeignete und entsprechend dimensionierte mikro-optische Ankoppel-Elemente.

Literatur
[1] E. Griese: Eine hybride elektrisch/optische Aufbau- und Verbindungstechnik für leistungsfähige Informations- und Kommunikationsgeräte. In: E. Griese und G. Mrozynski (Editoren): Optik in der Rechentechnik. Tagungsband 3. Workshop, Paderborn, 08.12.1998, S. 3-14.
[2] S. Sinzinger and J. Jahns: Microoptics. Verlag Wiley-VCH, Weinheim 1999.
[3] C. Jung, R. King, R. Jäger, M. Grabherr, F. Eberhard, R. Michalzik and K.J. Ebeling: Highly efficient Oxide Confined VCSEL Arrays for Parallel Optical Interconnects. In: P. Chavel, D.A.B. Miller, and H. Thienpont (editors): Optics in Computing '98, Proc. of SPIE Vol. 3490, 1998, S. 2-5.
[4] P. Chavel, D.A.B. Miller, and H. Thienpont (editors): Optics in Computing '98, Proc. of SPIE Vol. 3490, 1998.
[5] E. Griese und G. Mrozynski (Editoren): Optik in der Rechentechnik. Tagungsband 3. Workshop, Paderborn, 08.12.1998.
[6] D. Krabe und W. Scheel: Optische Verbindungstechnik auf Board-Ebene -Das EOCB-Konzept. In: E. Griese und G. Mrozynski (Editoren): Optik in der Rechentechnik. Tagungsband 3. Workshop, Paderborn 08.12.1998, S.15-30.
[7] K. R. Hase: Ein Beitrag zur Realisierung rechnerinterner optischer Bus-Systeme mit planaren Lichtleitern. Dissertation, Universität Duisburg, 1984.
[8] K. R. Hase: Optisches Bussystem (Optobus) mit planarem Lichtleiter für datenverarbeitende Systeme, insbesondere Mikrorechner. Technical Report, Deutsches Patentamt, München, 09.01.1984, Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamtes DE 3400480 A1.
[9] K. R. Hase: Computer-internal optical bus system with light-guiding plate. In: Proc. of IOOC-ECOC 1985, Vol. 1, Italy, 01.-04.10.1985, S. 597-600.
[10] J. Jiang: Ein Beitrag zur Entwicklung der parallelen Bussysteme für rechnerinterne Kommunikation. Dissertation, Universität Duisburg, 1991.
[11] J. Jiang und U. Kraemer: Optisches Bussystem mit optisch parallelem Plattenstapel (OPPS) bzw. optisch paralleler Streifenleiterplatte.(OPSP). Technical Report, Deutsches Patentamt, München, 05.09.1991, Offenlegungsschrift des Deutschen Patentamtes DE 4006510 A1.
[12] J. Jiang and U. Kraemer: Two New Developments for Optoelectronic Bus Systems. In: G.J. Lebreton (editor): Optics for Computers: Architectures and Technologies. Proc. of SPIE Vol. 1505, The Hague, 14-15 March 1991, S. 166-174.
[13] U. Kraemer und J. Jiang: Zwei neue Entwicklungen zu optischen Backplanes. In: H. Hieber (Editor): Materials in Micro Electronics. Tagungsband der Elmat '91, Essen, 22-24.01.1991, S. 99-104.
[14] J. Jiang and P. Laws: Analysis and Realization of the Optical Backplane System Using Circular Light-guiding Plates. In: J.A. Neff (editor): Photonics for Computers, Neural Networks, and Memories. Proc. of SPIE Vol. 1773B, 1992, S. 309-320.
[15] U. Kraemer: Ein Beitrag zu optoelektronischen Bussystemen mit optisch parallelen Streifenleiterplatten. Dissertation, Universität Duisburg, 1994.
[16] U. Kraemer and P. Laws: High-speed optical interconnects for backplane applications. In: J.A. Neff (editor): Photonics for Computers, Neural Networks, and Memories. Proc. of SPIE Vol. 1773B, 1992, S. 321-327.