In this paper, we proposed the structure of computer IO bus system using optical interconnection. Additionally, structures of peripherals using optical interconnection, which adapted to optical IO bus system. Memory storage system, PCI-e card and OSB-USB converting system was proposed. These peripherals should support 5Gbps transmission because of rapidly increase of required data rate.
Two alternative structures of IO bus system were proposed. Basically, the optical IO bus consist of Photonic devices, electronic devices such as SerDes, and optical link, however, alternative structure of optical IO bus was constructed with optical array module which can support both functions of SerDes and optical switch. Memory storage peripheral has similar structure with SSD memory, however optical PCB embedded on system could make it support larger data-throughput. PCI-e card proposed this thesis apparatus supporting compatibility of PCI-e slot and OSB (Optical Serial Bus).
Furthermore, we proposed OSB, Optical Serial Bus, which is composition of MT ferrule, optical connector, and optical transmission line, embedded wave-guide or fiber in PCB. Apparatus of OSB-USB converting system was implement and supported 5Gbps optical transmission.
To implement this peripherals, evaluation board and small-board for 10Gbps transmission was developed and latch which is key circuit of SerDes was also designed. Transceiver and photonic elements packaged on small-board was linked at 480Mbps, standard data rate of USB 2.0, and 5Gbps, expected data rate of next generation USB, through optical fiber, also.
컴퓨터 외부장치와 중앙처리 장치의 속도가 증가함에 따라 IO 버스에서 요구되는 Data rate가 급증하였지만 기존의 IO버스 시스템의 Data rate는 이를 충분히 지원하지 못해 IO에서의 병목현상이 일어난다. 또한 외부장치가 연결 되는 슬롯이 서로 병렬로 연결 되어 있어 슬롯에서의 Impedance mismatching이 발생하여 신호의 왜곡현상이 심각하다. 또한 IO 버스에 연결 되는 외부장치의 속도가 증가 하며 컴퓨터의 신호 처리가 빨라짐에 의해 신호 전달 시 채널간의 Cross-talk과 loss도 심해 졌다.
이를 해결 하기 위해 본 논문에서는 왜곡현상과 임피던스 매칭에 자유롭고 수 테라 급의 데이터 전송이 가능한 광 연결을 이용한 IO 버스를 제안하였다. 광자의 특성에 의해 광 연결은 파워의 소모가 일정한 수준으로 유지 되며, 거리와 속도에 의한 cross-talk과 loss의 변화가 거의 없어 고속의 신호 전송에 적합하다. 또한 전기적 연결과 다르게 임피던스 매칭이 필요 없고, 광 신호의 reflection을 막기 위한 매질간 reflection matching 만을 요하기 때문에 다수의 병렬 연결에 의해 임피던스의 미스 매칭이 일어 나지 않는다. 이러한 특성으로 인해 광 연결은 고속, 대용량의 신호를 병렬 연결함에도 적합하다.
본 논문에서는 이러한 특성을 이용한 광 연결을 이용한 IO 버스의 구조를 제안하였다. 본 논문의 IO 버스는 광 PCB를 이용하여 컴퓨터의 중앙처리장치와 외부 슬롯 사이의 신호 전송을 하는 것을 목적으로 하며, 이를 구현하기 위해 중앙처리 장치 다 채널 신호를 취합하여 고속의 신호로 직렬화 하는 장치, 신호를 광 신호로 변환하는 광/전 변환 장치, 광 신호를 올바를 Address에 전달해주는 스위칭 장치, 광 신호를 전달하는 광 PCB, 외부 장치와 연결 되는 슬롯으로 이루어 진다. 또한 위의 직렬화 장치, 광/전 변환 장치, 스위칭 장치의 기능을 동시에 하는 광 모듈을 제안하고 이를 적용함으로써 두 가지의 IO 버스 구조를 제안 하였다.
또한 광 연결을 이용한 저장장치, 기존의 PCI-e를 이용해 광신호를 송수신 할 수 있는 장치, USB 포트와 OSB 포트의 호환을 가능케 하는 외부 장치의 구조를 제안 함으로써 광범위하게는 광연결을 접목한 차세대 컴퓨터 구조의 개발에 근간이 될 수 있는 연구를 진행 하였다. 이 외부 장치들은 10Gbps 이상의 동작 영역에서 작동이 되는 것을 목표로 하며, 현재는 5Gbps에서 작동 할 수 있도록 구성이 되었다.
광 연결을 이용한 저장 장치는 SSD 메모리와 유사한 구조로 제안 되었으나, 병렬 연결을 지원하여 대용량의 신호가 동시에 송수신 될 수 있도록 제안 되었으며, 동시에 송수신 되는 병렬 신호를 송수신하기에 광 연결이 적합하다. PCI-e 카드 장치는 현재 컴퓨터 PCI 버스 시스템에서 가장 빠른 전송 속도를 지원하는 PCI-express 슬롯에 연결 되는 장치로서, PCI-e 와 OSB를 연결을 지원한다. USB와 OSB의 호환을 지원하는 장치는 5Gbps의 전송 속도를 지원함으로써, PCIe와 차세대 USB 규격을 지원 할 수 있도록 고안 되었다.
또한 위의 장치를 구현하기 위한 기본 적인 연구가 수행 되었다. 10Gbps의 신호 전달 특성을 측정을 할 수 있는 evaluation-board을 제작하였으며, 위 장치에 packaging 되어 시스템을 구현할 수 있도록 optical transmission module이 제작 되었고, 신호를 직/병렬 화 할 수 있도록 하는 SerDes의 기본 회로인 Flip-flop에 대한 연구와 optical element의 기본 특성을 파악하기 위한 Simulation 도 수행 되었다.
