Optiska länkar för krävande datormiljöer

Diarienummer: CHI19-0004
Projektledare: Andrekson, Peter
Start- och slutdatum: 210101-251231
Beviljat belopp: 29 028 105 kr
Förvaltande organisation: Chalmers University of Technology
Forskningsområde: Informations-, kommunikations- och systemteknik

Summary

Optiska datalänkar används allt mer i kraftfulla datorer och beräkningssystem, från stora serverhallar till enskilda signalbehandlingsenheter, när kraven på bandbredd och energieffektivitet ökar. För serverhallar, nätverk i fordon och avancerade radarsystem kommer framtidens länkar att behöva fungera under mycket svårare förhållanden, främst väsentligt högre temperaturer och större temperaturvariationer, vilket är en stor utmaning. Därför behövs en ny generation komponenter och kretsar som klarar dessa krav. Dessutom kommer en viss adaptivitet att behövas för att anpassa signalparametrar till förändringar i länkens egenskaper över temperatur. Syftet med projektet är att göra detta möjligt genom tvärvetenskaplig forskning med expertis inom optoelektronik, elektronik och optisk kommunikation. Vi kommer att utveckla en ny generation laserdioder och drivar/mottagarkretsar för höga temperaturer och stora temperaturvariationer och, för första gången, undersöka möjligheten att genom kanalövervakning och anpassning av signalparametrar i realtid nå högsta möjliga datatakt över ett stort temperaturområde. Målet är att demonstrera datalänkar med en direktmodulerad laserdiod (VCSEL) med en kapacitet på 112 Gbps från -40 till 125C och en energiförbrukning <5 pJ/bit, vilket är en avsevärd förbättring jämfört med dagens teknik. Genom nära samarbete med svensk industri (Volvo Cars, Saab Surveillance, OptiGOT) möjliggör vi effektiv tekniköverföring och tidigt utnyttjande av resultat.

Populärvetenskaplig beskrivning

Infrastrukturen i våra informations- och kommunikationssystem består av kraftfulla datorer och nätverk för överföring av data med hög kapacitet. Allt snabbare behandling, lagring och överföring av data gör att t.ex. internettrafiken kan öka exponentiellt för att tillgodose ett ökande behov av tillgång till och lagring av allt större datamängder. Kapaciteten hos kraftfulla beräkningsystem, från stora serverhallar och superdatorer till mindre system för speciella tillämpningar, begränsas till stor del av dom förbindningar som skickar data mellan utrustning med processorer, minnen och switchar och mellan elektriska kretsar inne i sådan utrustning. En stor del av effektförbrukningen sker också i dessa förbindningar. För att kunna öka datatakterna och minska effektförbrukningen ersätts därför elektriska förbindningar i allt högre grad med optiska. I t.ex. serverhallar används idag fiberoptiska datakablar för att koppla samman en mängd servrar och switchar, med dom optiska modulerna monterade på frontpanelen där temperaturvariationerna är måttliga. Med ökad beräkningskapacitet måste dock modulerna monteras inne i utrustningen, nära dom elektroniska kretsar som behandlar, lagrar och switchar data. Det betyder att dom optiska modulerna måste arbeta vid betydligt högre temperaturer och över ett betydligt större temperaturintervall. Ännu högre temperaturer och större temperaturvariationer förväntas för optiska nätverk i fordon som kommer att behövas för mer avancerad förarassistans och självkörande fordon där ett stort antal sensorer och aktuatorer måste kommunicera med kraftfulla signalbehandlingsenheter vid höga datatakter. Försvars- och militära tillämpningar, som avancerade radarsystem, har liknande krav. Syftet med projektet är att genom avancerad forskning utveckla nya optoelektroniska komponentteknologier, elektroniska kretsteknologier och optiska signalmetoder som gör att optiska datalänkar kan fungerar vid betydligt högre temperaturer och över ett mycket större temperaturintervall än vad som är möjligt med dagens teknik. I projektet ingår fyra forskargrupper vid Chalmers, med expertis inom optoelektronik, elektronik och optisk kommunikation, och tre svenska företag med stort intresse för och kompetens kring datalänkar och nätverk för fordon (Volvo Cars), radarsystem (Saab Surveillance) och serverhallar (OptiGOT). På så sätt kan projektet riktas mot mål av relevans för svensk industri och resultaten kan komma industrin tillgodo i ett tidigt skede.