新應用與使用者的增加促使光纖網路與5G、6G等行動通訊的市場逐年成長。網際網路、社群媒體、聊天與會議工具，以及電子商務的服務與資料量也不停地增加。
在各類內容中，影音串流與虛擬實境應用呈現的成長率最高，因此需要更大的資料容量來滿足這些需求。
光傳輸網路選用客製化SoC方案
正與國際電信聯盟(ITU)及電機電子工程師協會(IEEE 802.3工作群組)密切合作的光纖網際網路論壇(OIF)，在2010年時定義了使用單模光纖(SMF)的同調傳輸技術—用於長距離(LH)與超長距離(ULH)的100Gbps光傳輸網路(OTN)標準。LH鏈接適用於都會區伺服器中樞所使用的核心網路無縫連接，而ULH網路則實現了高資料傳輸(有時甚至使用潛水艇鏈接或海底電纜)，參照圖1。
圖1 100G OTN範例
透過早期參與包括與網路、系統及晶片設計領域專家廣泛探討的標準化活動，業者因而得以確定、設計並製造將整個系統整合至單一平台的SoC解決方案。此特殊應用積體電路(ASIC)將所有類比及數位功能結合至單一混合訊號IC，並使用標準65nm互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程生產。
這項100G方案需要高速、高性能又兼具低功率的收發器IC解決方案。該同調收發器ASIC的主要構造如圖2所示。其中包含了串列/解串列器(SerDes)、客製化數位訊號處理(DSP)單元，以及(超)高速類比轉換器與數位轉換器(A/D轉換器)。
圖2 100G OTN ASIC實作範例
為實現100G資料傳輸，首先要將雙偏振正交相位偏移調變(DP-QPSK)調變格式標準化，因此需要4通道A/C轉換器，其中2通道支援x及y光偏振，而x及y通道分別需要一個I/Q對。此外，也需要≥56GSa/s(28Gbaud/s的最小值)取樣率，以便在DSP中能夠執行某種程度的前向錯誤更正(FEC)、≥6Bit的解析度，以及≥15GHz的動態範圍(-3dB頻寬(BW))。
透過新設計與專利概念，上述參數得以在先進的智慧財產權(IP)中具體化。這讓業者如索思未來(Socionext)能夠在2010年推出首款100G同調收發器ASIC，創造全球網際網路及資料傳輸的里程碑。之後，數款次世代ASIC又經過改善、更進一步優化，並在開發上獲得成功。新款A/D轉換器可達到>100GSa/s的取樣率、8~12Bit的解析度，與-3dB BW>40GHz。因此，SerDes IP有各種介面選項，如CEI-11G、CEI-28G到58G-PAM4支援，但也保有其他客製化解決方案。
此類IP可實現目前與未來LH及ULH所需的Terabit OTN解決方案ASIC實作。經過優化的低功率IP能進一步支援如資料中心互連技術(DCI)、都會存取(Metro-Access)、光學存取等100G至800G解決方案，以及回程網路與前傳網路應用。而回程及前傳網路解決方案將可支援未來5G及6G應用(包括如微波爐無線或衛星應用)。近期光纖及行動網路中的資料流量及傳輸量不斷提升。圖3則為短距離、小尺寸、低功率ASIC與長距離標準ASIC解決方案的比較範例。
圖3 ASIC對使用不同傳輸技術的長短距離應用範例
其他可從這類高品質、高效A/D轉換器IP受益的領域還包括測試及量測設備供應商。因為，只有使用尖端儀器才能讓操作者與系統供應商進行測試、評估，並驗證最新標準或互操作性需求。這對未來網路的產品驗證與認證也相當重要，無論是用於OTN或無線傳輸技術上皆然。專業產業應用、人工智慧(AI)，或嶄新又安全的量子密鑰分發(QKD)伺服器/電腦的實作，亦能從這個趨勢中獲益。
客製化SoC延伸適用超越5G
5G或未來的6G是這類經過優化、高度專業IP的其他潛在應用領域。透過採用最新的製程技術以及專用的電路設計與IC實作，一些難以實現的參數都得以成真，像是功耗、高資料速率與較低延遲的運行時間、高解析度/動態範圍，以及小巧晶片尺寸等，進而實現並製造先進創新、具備高彈性及高成本效益的解決方案。
搭配5G基地台，這類IP可符合數位前端(DFE)或主動天線單元(AAU)應用的需求。在DFE方面，可使用新型的專用直接RF架構搭配多頻通訊。這需要迅速、高效A/D轉換器IP搭配夠大的頻寬才能將使用的頻寬數位化，也需要DSP。與傳統(外差式)解決方案相比，直接RF解決方案毋需混合器、放大器或濾波器。這降低了所需的元件數量與功耗，可大幅簡化系統，如圖4所示。此外，整合式DSP能達到智慧補償與優化技術，實現在數位選擇頻段中的彈性頻寬，讓行動網路拓展產生革命性變化。這類A/D轉換器IP可使用如≥32GSa/s的優化取樣率、≥12Bit的解析度，和≥7GHz的-3dB BW。
圖4 直接RF解決方案簡化圖
而在AAU方面，則可將大量A/D轉換器整合至一顆低功耗、小尺寸的ASIC中，此為行動單元與裝置訊號集中(MIMO波束成形)的必要條件，如圖5所示。無線衛星應用、μ波/mm波點對點，或太赫茲(THz)傳輸鏈等，均被視為無線通訊網路的高速擴充輔助技術，也必然可受惠於低功率、小尺寸的IP組合。有業者便提供IP方案內含了取樣率≥2GSa/s、解析度≥14Bit、從DC至500MHz以上-3dB-BW的A/D轉換器。
圖5 用於MIMO波束成型的A/D轉換器
各種解決方案與趨勢
光纖網路內的資料流量與資料傳輸率每三年成長一倍，在行動網路更是每兩年即成長一倍，因此，可用的技術必須密切關注此趨勢，找出更快、更高效且更具競爭力的解決方案。這會促使網路營運商、系統供應商、裝置製造商與晶片製造商思索新創意並實作，以嚴守上市時間；藉由生產可用於200G、400G、800G與Terabit應用的創新、高效、高能源效率、彈性客製化ASIC，因應此趨勢及需求，這些ASIC不僅是每一代產品中的佼佼者，至今也仍是良好的解決方案。如Socionext便仰賴最新、精密的標準CMOS製程技術(如28奈米、16奈米等)，確保產品兼具高整合性、良好效能容量、低功耗、尺寸精巧等特性。
創新想法與提議
本文根據客戶要求及規格，選擇較適合的IP、先進技術以及額外/個別的優化功能，創造出高品質的IC/ASIC解決方案。相較於其他使用離散元件或組裝的系統實作，這些產品擁有良好的性價比；同時，更提供另一項優勢：能在使用各種製程的半導體供應商中自由選擇。此外，CMOS技術可實現相當複雜的大型混合訊號設計，是較適合量產的技術。若擁有專利的最佳化電路、布線和晶片解決方案，再搭配多年來累積的專業知識，能夠協助客戶成功行銷各種新應用，包括光纖或行動網路應用以外的領域。
此外，應用在實現高級超級電腦上的多年封裝/基板設計與系統解決方案實作經驗，可使介面達到低訊號損失、出色屏蔽效果及較佳阻抗匹配。再者，可於高性能效率、較佳熱設計、良好電遷移(EM)行為與靜電放電(ESD)抗擾度等方面，也特別加以考量，以達到較低的效能退化、將故障風險降至較低，並確保產品在整體生命週期可完正常運行的時間。
而客製化SoC與(超快)ADC/DAC轉換器(包括高速SerDes)的結合，將在新的高階解決方案實作中扮演重要角色。相關業者也蓄勢待發，以客製化的ASIC產品因應最新趨勢，滿足所有要求及未來展望。
(本文作者為Socionext Europe GmbH-Network Solution Team Principal Business Program Manager)