利用FPGA和多通道光模块组合长距离传送高速数据

改善了信号完整性并降低信号路径中寄生元素所造成的数据错误，进一步说，由于芯片到模块的互连距离被大幅度缩短，因而FPGA和模块的总体功耗也会降低，因为再也不需浪费功率来进行传统非集成芯片到模块间互连的大幅度损耗均衡，图4中的混合FPGA封装保留有两个给Avago公司MicroPOD 12通道光收发器使用的角落，其中一个提供12个发射通道，另一个则提供12个接收通道。

除了两个插座外，FPGA封装的主要改变在于信号的路由，不将高速输入输出接点安排在封装引脚，而是把信号接点导到插座的接触区域，较短的路由距离可以保持高信号完整性，并且发出的电磁干扰也非常低。

图5中的光模块使用LGA接点安装在FPGA封装上，间隔为0.7424mm，每个插座仅需8.2mm x 7.8mm的区块大小，通过安装LGA插座在FPGA的角落，Altera公司可以把SERDES和光学模块间的距离缩短到低于1厘米，使用边缘安装光模块时则需要5到50厘米，插座集成接口也带来了可置换性、可测试性和高产出率。

图4：Altera公司的FPGA封装提供有光发射器和接收器的插座，分别位于两个角落，如图上；Avago的12通道光发射器和接 收器模块可以直接插入插座，并可使用PRIZM® LightTurn®电缆组件插到模块上，如图下

图5：MicroPOD光学模块使用LGA安装在FPGA封装上，仅需8.2mm x 7.8mm的占用空间。

图6：12通道光缆和PRIZM® LT连接器直接安装在光模块上方，这样的组合形成了可以处理120Gbps的紧凑高速接口。

图6中组件的光学部分包含了连接到微型MicroPOD模块的12条光缆，在发射端，模块包含12个低功耗850nm VCSEL激光二极管，每个二极管功耗约130mW，接收端则包含有单石GaAs PIN二极管感应阵列，适合目标应用长度的光缆预先连接到PRIZM® LightTurn®连接器上，将光弯折90度并把光纤对准VCSEL激光，如图左下方的模块，PRIZM® LT连接器目前可以由多个制造商取得。

12个光通道的每一个都可以处理10.3125Gbps的数据率，因此可以得到单一模块120Gbps的总合数据带宽，这个高度集成模块提供有光接口最高的连接端口密度，而低功耗更使得模块的热管理变得非常简单。

诊断和状态监测

光模块面临的一个设计挑战是如何在发热的FPGA裸芯片旁安装容易受到热影响的光部件，为了克服这个问题，Altera公司设计了独特的散热方案，可以保持光缆在标准的0到70oC工作温度范围内，通过建立三个独立的散热设计使光学组件和裸芯片热隔离，其中每个光学次装置有一个，裸芯片中也有一个，我们已经证实光模块的温度位于目标范围内。

除此之外，通过I2C总线通信的数字诊断监测(DDM)电路允许设计工程师由光模块取得诊断数据，提供的诊断信息包括光输出功率、激光偏置电流以及接收输入功率，这使得系统可以监测光模块的状态，并在发生问题时及时得知，避免系统发生问题或造成停机，这些对于许多应用，特别是经营连线中断可能带来数百万美元损失的数据中心是非常关键的数据。

使光学FPGA工作

对于需要大量计算以及存储的应用，例如数据中心，集成光接口到器件封装可以取代可插入光器件并节省功耗达70%到80%，并大幅度提高连接端口密度和带宽，在军事、通信基础设施以及广播领域等背板应用中，这些连接器可以取代昂贵的电路板材料和连接器，大幅度提升带宽，消除使用基于铜电缆方案时的信号完整性问题并节省功耗，如MicroPOD光发射器和接收器的光模块在使用OM3级多模光纤时数据传送距离可以达到100米，使用OM4级多模光纤时更可达到150米的连接距离。

嵌入式光学模块有助于降低需要的电路板空间并改善EMI问题，这样的组合可以帮助降低成本并简化通过符合FCC的法规程序，使用由Molex或其他连接器公司提供的裸芯片MPO光纤多头适配器可以通过将机箱开口缩小到最小可能尺寸进一步减轻EMI问题，除此之外，相较于卡边缘可插入模块，非常明显地到安装在前面板MPO连接器的静电放电要小上许多。

刀片服务器系统为提供多个服务器，如存储、交换、输入输出、冷却以及电源次系统的紧密集成密集模块化服务器系统，逐渐升高的虚拟化、云计算需求，单一CPU和存储器库计算能力的持续提升，为刀片系统中的传统输入输出技术带来压力，目前大部分系统在服务器刀片和输入输出模块间通过复杂的电气中介板作为高速电气接口，请参考图7，这种型态的结构为系统设计工程师带来复杂的信号完整性和热管理挑战。

刀片服务器夹层卡的电气输入输出通道可以由光输入输出通道取代，复杂的电气中介板则可以由简单的同等光学系统取代，请参考图8。光学中介板提供了服务器以及系统中其他模块，包括存