Table of Contents

تزايد أهمية المتلقينات البصرية المنخفضة الضوضاء في مراكز البيانات

وتشكل مراكز البيانات الحديثة العمود الفقري للهياكل الأساسية الرقمية العالمية، وتدعم كل شيء من الحوسبة السحابية والبث بالفيديو إلى شبكات الاستخبارات الاصطناعية وشبكة 5G، ونظرا لأن معدلات البيانات لا تزال تتصاعد، أصبحت الروابط البصرية الألياف هي المعيار الذي يُستخدم في الاتصالات بين كل من داخل مركز البيانات وفيما بين مراكز البيانات، ففي قلب هذه الروابط يكمن جهاز استقبال بصري، وهو جهاز مسؤول عن تحويل الإشارات الضوئية إلى خانة جديدة.

ولا يقتصر تصميم أجهزة استقبال بصرية منخفضة على عملية اختيار العناصر؛ بل يتطلب فهما عميقا لفيزياء الضوضاء، أو تبادل تصميم الدوائر، أو تحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى المنظومة، كما أن جهاز استقبال يُستخدم ضوضاء مفرطة سيحد من حساسية الصلة، ويرغم المهندسين على استخدام طاقة نقل أعلى، أو في مراحل أكبر تكلفة للتضخم، أو في سياق مراكز البيانات الناشئة في وقت واحد.

المصادر الأساسية في أجهزة الاستلام البصرية

ولتصميم أجهزة استقبال فعالة ذات مستوى منخفض، يجب على المهندسين أن يفهموا أولاً الأصل المادي للضوضاء داخل سلسلة أجهزة الاستقبال، ويفرض كل مصدر ضوضاء حداً أساسياً على الحد الأدنى من القدرة البصرية التي يمكن الكشف عنها، وتهيمن آليات ضوضاء مختلفة في ظروف تشغيلية مختلفة، وتصدر فئات الضوضاء الرئيسية الثلاث ضوضاء، وضوضاء ذات كثافة نسبية من مصدر ليزر.

ضوئية

وتنشأ الضوضاء الطلقية من الطابع المتباين للاستيعاب الضوئي وتوليد الكترونيا، وهي محدودة من الناحية الجوهرية ولا يمكن القضاء عليها، ولا يمكن الاقتراب منها إلا من خلال التصميم الأمثل، ويتناسب الفرق الحالي بين الضوضاء والضوضاء مع متوسط سرعة التصوير، مما يعني أنه مع ازدياد القدرة البصرية المتلقاة، فإن قوة الضوضاء الطلقة تزداد أيضا، غير أن نسبة الضوضاء المنخفضة تُحدِّد في كثير من الأحيان درجة الحساسية من الضوضاء.

الظلام وتأثيره

فالتيارات المظلمة، التي تتسرب من خلال جهاز تصويري في غياب الضوء، تسهم في عنصر ضوضاء إضافية، وبالنسبة لمستقبلات مراكز البيانات ذات السرعة العالية التي تعمل في 25 غب/س وما بعده، فإن التيار المظلم في أجهزة التصوير التابعة لوكالة إنغا آس منخفض جدا (المصابون بالنانين أو أقل)، ولكن عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن للتيارات المظلمة أن تزيد وتتدهور الحساسية.

النواحي الحرارية

وينشأ الضوضاء الحرارية (المسماة أيضاً بالضوضاء جونسون - نيكيست) من الحركة الحرارية العشوائية لحاملات الشحن في عناصر مقاومة، وهي مهمة بصفة خاصة في جهاز الترميز العابر للحدود، وأي مراحل لاحقة من مراحل الكسب، ويتناسب التصاعد الحراري للضوضاء مع الجذور المربعة للمقاومة، ودرجة الحرارة، ودرجة التردد، وفي جهاز استقبال نموذجي، فإن رد الفعل المقاوم للصدمة هو

الكمية النسبية

ويصف الضوضاء على كثافة الترددات التقلبات في الطاقة البصرية التي يولدها مصدر الليزر، ورغم أن شبكة RIN تنشأ في جهاز الإرسال، فإنها تروج عبر الألياف وتصل إلى جهاز الاستقبال على أنها ضوضاء على السعة، ففي أجهزة استقبال الكشف المباشر، تضيف الشبكة مباشرة إلى الضوضاء التي ترد بها الإشارة ويمكن أن تحد من مركز SNR الذي يمكن تحقيقه، ولا سيما في السلطات التي يُستلم إليها.

Avalanche Excess Noise

:: توفر أجهزة التصوير الفموية الفولاذية الجديدة مكاسب داخلية يمكن أن تحسن حساسية أجهزة الاستلام عندما تهيمن الضوضاء الحرارية، غير أن عملية التكاثر الفلنشية في جوهرها، تنطوي على زيادة ضوضاء تزيد على عامل الضوضاء الازدياد F(M).

الاستراتيجيات الأساسية للتصميمات للمستقبلات البصرية المنخفضة الضوضاء

وتتمثل الخطوة التالية، بفهم دقيق لمصادر الضوضاء، في ترجمة هذه المعرفة إلى خيارات تصميم محددة، وتشكل الاستراتيجيات التالية نهجا منتظما للتقليل من ضوضاء أجهزة الاستقبال، مع الحفاظ على النطاق الترددي اللازم لتطبيقات مراكز البيانات.

اختيار الموصلات الفوتوغرافية والتعظيم

ويُعدّ جهاز التصوير الضوئي أول عنصر في سلسلة الاستقبال، وتترتب على خصائصه تأثير كبير على أداء الضوضاء عموماً، إذ إنَّ وصلات مراكز البيانات التي تعمل في 850 نانو متراً (ألياف متعددة)، أو أجهزة التصوير المزودة بالأشعة فوق الصوتية، أو أجهزة الترميز ذات التفوق الحساسية العالية، أو أجهزة الاسترخاء ذات الترددات العالية، هي الصورة الفوتوغرافية التي تستخدمها الترددات العالية.

وعند اختيارها بين أجهزة الاستديوهات الضوئية للدبابات والجهاز الآلي للبيانات، يتوقف القرار على معدل الوصل بين الميزانية والبيانات، وبالنسبة لوصلات مراكز البيانات القصيرة المدى (أقل من كيلومترين)، فإن أجهزة التصوير الضوئي تُفضَّل عموماً بسبب انخفاض تكلفتها، وارتفاع درجة الموثوقية، وعدم وجود ضوضاء زائدة، حيث تصل إلى مسافة أطول (2 كيلومتراً إلى 40 كيلومتراً) حيث تكون خسارة الأليف أكبر، فإن الأجهزة المزودة المزودة للكشف تزيد على درجة الحرارة المحلية بـة بـة بـة بـة بـة بـة بـ 400 جهازاً، وإن كانت أعلى من 5 إلى 400 جهازاً.

تصميم مكبرات الترددات ذات الرقم المنخفض

وتتولى هيئة الاستقبال مهمة تحويل الصورة الصغيرة إلى إشارة فولتية بما يكفي من السعة لأجهزة التعبئة التي تُحدّد لاحقاً من أجهزة التعبئة أو أجهزة الاسترداد على مدار الساعة والبيانات، وينظم أداء الضوضاء في إطار المبادرة التقنية حالة الضوضاء التي تُشار إليها المدخلات والتي يجب التقليل منها إلى أدنى حد على نطاق الترددات الترددية التي تتلقى.

  • Feedback resistor optimization:] Increasing the feedback resistance RF reduces thermal noise but reduces bandwidth. The optimum RF is found where the noise contribution is balanced against the required bandwidth.
  • () إن انتقاء مترجمي المدخلات: ] The input transistor (typically a common-emitter or common-source stage) contributes both thermal and flicker noise. Using a transistor with low base/spreading resistance (for bipolars) or low channel noise (for CMOS) is essential. Heterojunction bipolar
  • Inductive toping:] Series or shunt inductive toping can extend the bandwidth without the noise penalty of reducing RF. This technique is widely used in high-speed TIAs for 100G and 400G applications.
  • Differential topology:] Differential TIAs offer improved common-mode rejection and reduced susceptibility to power supply noise, at the expense of higher power consumption and slightly more complex layout.

وكثيراً ما تدمج التصميمات الحديثة لاتفاقات الاستثمار التقني مراقبة الكسب التلقائي للحفاظ على تقلبات مستمرة في الناتج على مجموعة واسعة من الصور الفوتوغرافية، مما يحول دون أن يشبع فريق التكنولوجيا المتقدمة السلطة العالية الاستلام بينما يحافظ على أداء الضوضاء في السلطة المنخفضة، ويجب أن تصمم حلقة القيادة بعناية لتجنب إدخال ضوضاء أو تشويه إضافيين.

الدائرة Lyout و Shielding Techniques

وحتى أفضل اختيار للعناصر يمكن أن يُقوض بسبب ضعف تصميم الدوائر، فالنهاية الأولى للمستقبل تعمل بإشارات صغيرة جدا (مصابيح التصوير الضوئي) وهي عرضة للتدخل الكهرومغناطيسي والتقاطع.

  • Minimizing parasitic capacitance:] The photodiode capacitance, bond pad capacitance, and TIA input capacitance all add together and limit bandwidth. Flip-chip or co-packaged photodiode-TIA assemblies reduce parasitic inductances and capacitances.
  • Proper grounding and power supply decoupling:] A low-impedance ground plane and multiple decoupling capacitors across the frequency spectrum prevent power supply noise from coupling into the signal path.
  • Shielding:] Metal shielding cans or on-chip ground rings protect the front end from radiated EMI, especially when the receiver is co-located with digital ASICs or shifting power supplies.
  • Differential signal routing:] Keeping differential traces length-matched and closely coupled maintains common-mode rejection and reduces susceptibility to external fields.

(ج) تقنيات التغليف المتقدمة، مثل دمج الصور الفوتوغرافية للسيليكون، تسمح بتصنيع جهاز التصوير الضوئي وجهاز التصنت التقني على نفس الديوت أو في جمعية مختلطة متكاملة بشكل وثيق، مما يقلل من الطفيليات المترابطة ويتيح زيادة عرض النطاق الترددي وانخفاض الضوضاء مقارنة بالنهج التقليدية القائمة على استخدام السلك.

التقنيات المتقدمة لخفض عدد الضريبة

ومع ارتفاع معدلات البيانات إلى ما يتجاوز 100 غب/ساحة لكل مجال، تصبح نُهج التصميم التقليدية غير كافية، ويتبع الباحثون ومهندسون الصناعة عدة تقنيات متقدمة لزيادة الحد من الضوضاء وتوسيع نطاق وصلات مراكز البيانات.

الملاحون المتكاملون والمشاركون في التصميم

وقد ظهرت صور السيليكون كمنبر رائد للمتحولين البصريين ذوي الحجم العالي والكلفة المنخفضة، ومن خلال إدماج أجهزة التصوير الضوئي والمناقلات وحتى اتفاقات الاستثمار التقنية على نفس الشريحة، تؤدي الصور الضوئية للسيليكون إلى الحد من الطفيليات المترابطة وتتيح استراتيجيات جديدة لخفض الضوضاء، وعلى سبيل المثال يمكن تصميم جهاز التصوير الضوئي بحيث يكون له صورة متطورة من حيث الاختلال الضوئي مع الحفاظ على سرعة عالية.

تجهيز الإشارات وتكافؤها

وفي أجهزة الاستقبال ذات السرعة العالية، تؤدي العاهات في القنوات مثل التفكك والقيود المفروضة على النطاق الترددي إلى تدهور الإشارة وزيادة الحد الأدنى للضوضاء زيادة فعالة.

مواد الأشعة المتحركة والهيكلات الفوتوديوية المتقدمة

أما المواد التي تستخدمها أجهزة الصراف الآلي فتظل تشكل تحدياً كبيراً في مجال صناعة أجهزة الصراف الضوئي، ولكن أجهزة الكشف عن المواد ذات التوجهات المتوسطة التي يمكن أن تكون أكثر تعارضاً مع المواد ذات التأثيرات الفائقة، وهي عوامل قد تكون أكثر قدرة على الانتقال إلى أجهزة الصرافة، غير أن أجهزة الكشف عن المواد ذات الاتجاه الشبه الشائكة التي تزيد من الضجيجية التي تصدرها أجهزة الكشف عن أجهزة التصوير.

الكشف المتناسق عن وصلات مركز البيانات

ويجري الآن تكييف الكشف المتسق، الذي يُستخدم عادة في الاتصالات السلكية واللاسلكية ذات الفتحة الطويلة، بحيث يتم تكييفه لربط مراكز البيانات، ولا سيما لوصلات الهاتف الفرعي 800 زاي و1.6 ت، وفي جهاز استقبال متماسك، تختلط الإشارة الواردة مع ضوء منظف محلي قوي، مما يتيح زيادة الحساسية التي تُحدثها كثافة التردد الحرارية في جهاز الاستقبال، مما يتيح للأداء المحدود المطلقات، ويحسن الحساسية المتوازنة.

اعتبارات التنفيذ العملي

إن ترجمة تصميم منخفض المستوى من المحاكاة إلى الإنتاج يتطلب الاهتمام بالعديد من الجوانب العملية التي يمكن أن تحقق الأداء النهائي أو تكسره، والاعتبارات التالية حاسمة بالنسبة للنشر الناجح في بيئات مراكز البيانات.

الإدارة الحرارية والاعتماد

ويتناقص الأداء عند درجة الحرارة، ويزداد التيار المظلم في أجهزة الاستديوان الضوئي بمقدار الضعف تقريباً لكل ارتفاع من ارتفاع 10 درجات مئوية، ويزداد ضوضاء التصادم، ويزداد أيضاً درجة الحرارة بسبب ارتفاع الضوضاء الحرارية، ويجب أن تعمل أجهزة نقل البيانات بشكل موثوق به على مدى درجات الحرارة الواسعة (التي تتراوح بين 0 مئوية و70 درجة مئوية أو أكثر).

التغير في التصنيع

ويحدث اختلاقات الشبهات تفاوتاً في البارامترات الرئيسية مثل الاستجابة للقلبات الضوئية، وكسب الدخل في مجال التكييف، ومقاومة التعقيبات، وقد يؤدي تصميم منخفض الدقة إلى ضعف هذه المبادلات في إنتاجية التصنيع، وينبغي للتصميم أن يقوم بعمليات المحاكاة الثلاثية التي يقوم بها مونت كارلو عبر زوايا العمليات لضمان أن يلبي المتلقي الضجيج والمضارب الضمنية للأغلبية الكبيرة من الأجزاء.

الاختبار والتصنيع

ويقتضي تقييم أداء الضوضاء من جهاز استقبال بصري وجود معدات اختبار متخصصة، ويقاس الحساسية عادة بمتوسط القدرة البصرية اللازمة لتحقيق معدل خطأ بسيط مستهدف )من ١ إلى ١٢( ويضمن المحللون البديلون اختبارات الاختلاس، وأجهزة قياس معدل الأخطاء الصغيرة، كما أن السمة الشاملة للتشخيص يجب أن تقيس أيضا محطات قياس الضجيج التي يُستعان بها في الاختبارات.

اعتبارات الإمداد بالطاقة

وفي حالة وجود خطوط الإمداد بالطاقة يمكن أن تُضمَّن إلى نظام تقييم الأداء، وتُحطِّم أجهزة الاستقبال ذات السرعة العالية، وتحتاج أجهزة الاستقبال ذات السرعة العالية إلى كميات من الإمدادات نظيفة للغاية، كما أن أجهزة التحكم ذات المستوى المنخفض من الطاقة، التي تُستخدم عادة كنسبة عالية من الرفض في الإمداد بالطاقة، ويمكن لكل مرحلة من مراحل جهاز الاستقبال أن تستخدم جهازها الخاص لتصنيع المواد الغذائية من أجل منع الانزلاق بين المراحل.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وما زال النمو المتكرر في حركة المرور في مراكز البيانات يدفع الابتكار في تصميم أجهزة الاستقبال البصرية، وستشكل عدة اتجاهات الجيل القادم من أجهزة الاستقبال المنخفضة الدقة.

أكثر من 200 غب/س/لكل

ويتجه رسم الطريق إلى 200 غب/سبر لكل خط باستخدام نظام PAM-4، وفي هذه السرعة، يجب أن يتجاوز نطاق الترددات في جهاز الاستقبال 70 جيهرتز، مما يضع المطالب القصوى على كل من نظام التصوير الضوئي ونظام TIA.

الأفيونيات والشيبولتسات المتشاركة

وللتغلب على اختناقات النطاق الترددي واستهلاك الطاقة من الوحدات القابلة للذوبان، تتحرك الصناعة نحو التصورات ذات التغليف المشترك، وفي هياكل المنظمة، يُدمج المحرك البصري (بما في ذلك أجهزة التصوير الضوئي واتفاقات النقل التقني) في نفس مجموعة الأدوات التي يُستخدم فيها نظام التحويل الآلي، مما يقلل بشكل كبير من طول الربط الكهربائي، ويخفض الطاقة ويحسن سلامة الإشارات.

التعلم من الآلات من أجل تحقيق الاستفادة المثلى

وقد بدأت تقنيات التعلم في مجال الآلات في إيجاد تطبيقات في الاتصالات البصرية، بما في ذلك تصميم أجهزة الاستلام، ويمكن أن تؤدي الخوارزميات المتعددة الأطراف إلى تحقيق أفضل معامل المتساوية، والفولط التحيزي، والكسب في الوقت الحقيقي للتكيف مع ظروف الربط المتغيرة، ومن خلال معاملة جهاز الاستقبال كنظام دينامي، يمكن أن تُدفع الأداء إلى حد أقرب إلى الحدود الأساسية للضوضاء، بالإضافة إلى أن الشبكات العصبية المدربة يمكن أن تستخدم كعاملين غير متماثلين للتعويض عن أوجه الاختلال التقليدية.

التكامل المتجانس

ومستقبل أجهزة الاستقبال المنخفضة الاختلاف يكمن في التكامل غير المتجانس، حيث تقترن مواد وأجهزة مختلفة على منصة واحدة، ويمكن أن يدمج هذا النظام أجهزة الاستديوهات الضوئية التابعة لوكالة إنغا إيه مع شركة سيغي بي سي سي إم إس للتكنولوجيات، أو حتى الليزر التي تعمل بالأجهزة الضوئية للسيليكون، ويختار كل نظام مادي لأداء أفضل درجاته:

خاتمة

ويعد تصميم أجهزة استقبال متدنية المستوى لتطبيقات مراكز البيانات تحديا متعدد التخصصات يستمد من الصور الضوئية، وتصميم الدوائر اللامعية، وعلوم المواد، والهندسة النظامية، والضوضاء الأساسي من مصادر الضوضاء، والضوضاء الحراري، والشبكة، والضوضاء الزائد من الأشعة فوق البنفسجية على الحساسية، ولكن الهندسة الدقيقة يمكن أن تتطرق إلى هذه الحدود في الأجهزة العملية.

والتطلع إلى المستقبل، والكشف المترابط، وتجهيز الإشارات التكييفية، يعدان بإجراء مزيد من التحسينات، مما يتيح لمراكز البيانات تلبية الطلب المتزايد على النطاق الترددي، والانتقال إلى 200 غب/سبر لكل الممر، والصور الضوئية المجهزة بالاشتراك، والتصوير الأمثل الذي تحركه الوكالة الدولية للطاقة الذرية، سيختبران مدى إبداع المهندسين، ولكن الهدف الأساسي يظل دون تغيير: تحويل الصور الفوتوغرافية الواردة إلى أجزاء كهربائية إلى أقل.

الروابط الخارجية من أجل المزيد من القراءة: