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Il primo chipset CMOS 25/100 Gb a basso costo e a basso consumo al mondo per i centri di elaborazione dati

Con l’esplosione di dati generata da dispositivi digitali ad alte prestazioni e a banda larga, i centri di elaborazione dati sono diventati un’infrastruttura moderna critica. Ma a causa dei livelli insostenibili di consumo energetico, nuove soluzioni sono ora essenziali.

Economia digitale

È stato calcolato che i centri di elaborazione dati utilizzano circa 200 terawattora di elettricità all’anno, pari a circa l’1 % della domanda globale di elettricità. Secondo alcune previsioni, questa domanda salirà a circa il 7 % in poco più di un decennio. Per superare le attuali inefficienze energetiche dei centri di elaborazione dati, con il sostegno del fondo europeo per le PMI, il progetto MERCURY ha prototipizzato e dimostrato un pionieristico chipset di circuiti integrati (CI). Per la prima volta, MERCURY ha utilizzato la tecnologia CMOS conforme alle norme industriali su wafer da 12 pollici per azionare moduli ricetrasmettitori ottici (OTM) da 25 Gigabit al secondo (Gbps) in formato 4 x 25 Gb. Un ponte tra l’ottica e l’elettronica A velocità di trasmissione dati di 25 Gb o superiori, tipiche delle recenti comunicazioni ad alta larghezza di banda, se i segnali a distanza che devono viaggiare su un circuito elettrico stampato sono più lunghi di qualche centimetro, vengono attenuati e presto completamente persi nel rumore. I circuiti integrati con ricetrasmettitori ottici evitano questa limitazione utilizzando fibre ottiche a bassa perdita per inviare e ricevere segnali. Questi chip spesso partono usando transistor bipolari in silicio-germanio (BiCMOS SiGe). Pur offrendo un’elaborazione ad alta velocità, questa soluzione compromette l’efficienza energetica, perché i transistor SiGe operano a tensioni più elevate rispetto ai transistor CMOS. L’innovazione di MERCURY consiste nella conversione da segnali ottici a segnali elettrici, e viceversa, utilizzando CMOS. Per MERCURY, sul lato della trasmissione, i dati digitali in ingresso sono risincronizzati, con segnali di azionamento analogici avanzati creati per azionare il componente laser. Sul lato della ricezione, un fotodiodo converte la luce in ingresso in una fotocorrente di basso livello che viene amplificata attraverso diversi stadi fino a livelli digitali completi, estraendo sia i segnali orologio (coordinando la temporizzazione digitale) che i segnali dati. «A titolo di esempio, un recente centro dati costruito a Dublino è stato dotato di 1 milione di ricetrasmettitori ottici. Utilizzando la nostra tecnologia, ogni OTM consumerebbe da metà a 1 watt in meno di potenza. Se poi si includono le inefficienze del condizionamento dell’aria, si arriva facilmente a 5 MW di potenza totale risparmiata, equivalente a più di 1 600 bollitori che funzionano continuamente, in un solo sito», afferma il coordinatore del progetto, Gary Steele. A 12 pollici, i wafer CMOS di MERCURY offrono maggiori economie di scala rispetto ai wafer da 8 pollici di SiGe. Oltre a ridurre i costi, utilizzando meno della metà dell’energia di questi concorrenti, senza perdita di prestazioni o funzionalità, la tecnologia MERCURY sembra in grado di sostituire il BiCMOS, come è già accaduto a velocità di trasmissione dati inferiori. Crescente domanda di centri elaborazione dati più efficienti in termini energetici L’investimento nei centri elaborazione dati sta crescendo: si prevede che entro il 2020 questi centri in Europa utilizzeranno ogni anno più di 100 miliardi di kWh di energia. Il Codice di condotta per l’efficienza energetica nei centri di elaborazione dati dell’UE è stato concepito per contribuire a contrastare questa situazione insostenibile, senza compromettere la velocità e la capacità di memoria dei centri di elaborazione dati. La sostituzione di BiCMOS con CMOS MERCURY riduce il consumo energetico e il calore disperso dalle apparecchiature dei centri elaborazione dati, contribuendo così a questo sforzo. Inoltre, come spiega Steele: «25 Gbps è anche la soluzione più diffusa per il lancio dei cellulari 5G. Con velocità di trasmissione dati di consumo molto più elevate rispetto ai telefoni 3G e 4G, insieme a molte più stazioni base, i risparmi energetici di MERCURY si applicano anche in questo caso. Calcoliamo che i volumi di produzione potrebbero raggiungere i 50 milioni di unità all’anno, con un’installazione totale che raggiungerà facilmente i 250 milioni in tutto il mondo». Dopo aver dimostrato la piena funzionalità, per poi migliorare le prestazioni (incluse in un’ulteriore fase di prototipazione), il team sta ora testando in laboratorio campioni ingegneristici in previsione della produzione di massa completa.

Parole chiave

MERCURY, 5G, circuiti integrati, ricetrasmettitori ottici, CMOS, BiCMOS, centro di elaborazione dati, velocità dati, transistor bipolari, efficienza energetica, verde, sostenibile

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