Design TIA a basso rumore: aggirare il limite di transimpedenza

In addition to making ripples in general culture, the recent introduction of generative and big language AI models—of which ChatGPT is currently the most well-known example—is also having an impact on the hardware industry. The emergence of the cloud era, powered by 5G, AI, Internet-of-Everything (IoE), VR/AR, etc., places unrelenting demands on the ever-increasing communication bandwidth between computing units. In many scenarios, such as backbone networks, data centers, cloud, and access networks like FTTH (Fiber-To-The-Home), optical communication has taken the place of electrical communication, due to the wider available bandwidth and the lower link losses. The light going through fiber receives loss before reaching a photodiode at the far end. The photodiode then transforms the light intensity to a proportional current, which is subsequently amplified and converted to voltage by a transimpedance amplifier (TIA). The design of the TIA entails many trade-offs between noise, bandwidth, gain, supply voltage, and power dissipation, presenting difficult challenges in both CMOS and bipolar technologies. The TIA noise performance is found to be essentially limited by the transimpedance limit, which sets a fundamental trade-off with the achievable bandwidth. While most commercial TIAs for serial links are implemented in bipolar technologies, this thesis focuses on developing a new CMOS inverter-based low-noise TIA architecture for analog front-end design of a long-reach 224 Gbps PAM-4 receiver. The design will be implemented in 12nm FinFET CMOS technology. The goal of this work is to propose a new topology that can go beyond the fundamental noise-bandwidth trade-off of conventional inverter-based solutions.

Oltre a creare ripercussioni nella cultura generale, la recente introduzione di modelli di intelligenza artificiale generativa e di grande linguaggio, di cui ChatGPT è attualmente l'esempio più noto, sta avendo un impatto anche sul settore dell'hardware. L’emergere dell’era del cloud, alimentata da 5G, AI, Internet of Everything (IoE), VR/AR, ecc., pone richieste incessanti alla larghezza di banda di comunicazione sempre crescente tra le unità di calcolo. In molti scenari, come reti dorsali, data center, cloud e reti di accesso come FTTH (Fiber-To-The-Home), la comunicazione ottica ha preso il posto della comunicazione elettrica, grazie alla maggiore larghezza di banda disponibile e alle minori perdite di collegamento . La luce che attraversa la fibra subisce una perdita prima di raggiungere un fotodiodo all'estremità. Il fotodiodo trasforma quindi l'intensità della luce in una corrente proporzionale, che viene successivamente amplificata e convertita in tensione da un amplificatore a transimpedenza (TIA). La progettazione del TIA comporta molti compromessi tra rumore, larghezza di banda, guadagno, tensione di alimentazione e dissipazione di potenza, presentando sfide difficili sia nelle tecnologie CMOS che bipolari. Si è scoperto che le prestazioni del rumore TIA sono essenzialmente limitate dal limite di transimpedenza, che stabilisce un compromesso fondamentale con la larghezza di banda ottenibile. Mentre la maggior parte dei TIA commerciali per i collegamenti seriali sono implementati in tecnologie bipolari, questa tesi si concentra sullo sviluppo di una nuova architettura TIA a basso rumore basata su inverter CMOS per la progettazione front-end analogica di un ricevitore PAM-4 a 224 Gbps a lunga portata. Il progetto sarà implementato nella tecnologia CMOS FinFET a 12 nm. L'obiettivo di questo lavoro è proporre una nuova topologia che possa andare oltre il fondamentale compromesso rumore-larghezza di banda delle soluzioni convenzionali basate su inverter.