Highspeed-DAC für Rechenzentren Geschwindigkeit und Effizienz: D/A-Wandler mit 150 GSample/s für 300 GBit/s

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Das belgische Forschungsinstitut imec will einen neuen Standard für die Highspeed-Datenwandlung setzen: Der in einen 5-nm-CMOS-FinFET-Prozess implementierte D/A-Wandler ebnet den Weg für schnellere und energieeffizientere optische und elektrische Verbindungen in Rechenzentren.

Dem Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien imec ist ein bedeutender Durchbruch bei der Hochgeschwindigkeits-D/A-Wandlung gelungen. Der neu entwickelte 7-Bit-D/A-Wandler (DAC) mit einer Abtastrate von 150 GSample/s, der in einem 5-nm-FinFET-CMOS-Prozess gefertigt wird, erreicht mit PAM-4-Modulation Datenraten bis zu 300 GBit/s. Der DAC zielt auf Anwendungen für Rechenzentren. Er kombiniert Hochgeschwindigkeit und Energieeffizienz und soll damit einen neuen Standard für die drahtgebundene Datenwandlung setzen.

„Dieser 7-Bit-DAC wurde für die nächste Generation von Rechenzentrumsverbindungen entwickelt, die Datenraten von mehr als 200 und schließlich 400 GBit/s pro Lane erreichen sollen. Um diese Geschwindigkeiten effizient zu bewältigen, wird die notwendige Signalverarbeitung in fortschrittlichen CMOS-Knoten wie 5-nm-FinFET implementiert. Folglich muss auch der D/A-Wandler in demselben Technologieknoten realisiert werden. Die Integration derartig komplexer Architekturen in skalierte CMOS-Knoten stützt sich auf die einzigartige Expertise von imec im Bereich des hochentwickelten Designs integrierter Schaltungen“, sagt Peter Ossieur, Programmmanager für Hochgeschwindigkeits-Transceiver bei imec.

Neue DAC-Architektur für bessere Energieeffizienz

Um die Energieeffizienz zu optimieren, haben die Entwickler die DAC-Architektur neu gedacht und die Anzahl der Elementarzellen von 127 auf 34 reduziert. Dadurch wird die Schaltaktivität minimiert und die Leistungsaufnahme effektiv gesenkt (auf 621 mW bei 0,9 und 0,96 V), ohne die Wandlungsgeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Dies verringert gleichzeitig die parasitären Effekte und ermöglicht eine genauere Signalwandlung bei höheren Datenraten.

Ossieur fügt hinzu: „Mit Blick auf die Zukunft zielt das Team auf die wachsende Nachfrage nach noch schnelleren Datenverbindungen ab, indem es die nächste Generation von ADCs und DACs auf Basis der 3-nm-CMOS-Technologie ins Visier nimmt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Verdopplung der Abtastrate auf 300 GSample/s und der Erhöhung der Bandbreite auf über 100 GHz. Um eine solche Geschwindigkeit zu erreichen, wird imec auf seine Expertise im Analog-Design zurückgreifen und sich nun auch mit dem Design von Schaltungen zur Erzeugung von Taktgebern mit extrem niedrigem Jitter befassen, die eine Genauigkeit im Femtosekundenbereich anstreben.“

Hintergrund: Datenübertragung in Rechenzentren

Die Nachfrage nach höheren Datenübertragungsraten in Rechenzentren steigt mit der zunehmenden Verbreitung von datenintensiven Anwendungen wie maschinelles Lernen und KI weiter an. Um die riesigen Datenmengen in diesen Zentren zu bewältigen, benötigen drahtgebundene Kommunikationssysteme A/D-Wandler und D/A-Wandler, um analoge Signale in digitale Daten und wieder zurück zu konvertieren. Erst damit ist der Einsatz moderner Signalverarbeitungstechniken für die Signalübertragung möglich.

Da die Datenmengen jedoch immer weiter steigen, müssen A/D- und D/A-Wandler die Daten mit höherer Geschwindigkeit wandeln, um effizient zu arbeiten. Ultraschnelle A/D- und D/A-Wandler sind daher unerlässlich, um die Datenübertragung in drahtgebundenen Systemen sicherzustellen.

Herkömmliche Architekturen sind hier oft unzureichend, was zu einer Verschlechterung der Signalqualität und zu Leistungsverlusten führt. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz immer wichtiger, da die Anzahl der Verbindungen in großen Rechenzentrumsinfrastrukturen noch schneller wächst als die Menge der Rechenleistung.

Der neu entwickelte D/A-Wander erreicht eine Hochgeschwindigkeits-Abtastrate von 150 GSample/s und erzeugt mit PAM-4 Datenraten bis zu 300 GBit/s. Mit steigenden Datenraten hat sich PAM-4 zum bevorzugten Modulationsschema in Rechenzentren entwickelt und ermöglicht eine schnellere Datenübertragung ohne zusätzliche Bandbreite.(kr)

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