קובעי הקצב של העתיד

במאמר Michael Fischer מתאר את הצורך במתנדים מדוייקים מסוג TCXO.
האתגר שבאינטרנט סינכרוני. מהיר יותר, מהימן יותר, זול יותר. הדרישות מרשתות הנתונים שלנו הינן מגֻוונות והן נעשות יותר ויותר גבוהות. מכשירים ממוזערים, נוחים וידידותיים לסביבה חייבים להתגבר על קצבי נתונים מהירים. על מנת לעבוד בקצב של התפתחות זו, חייבים גם להפוך את קובעי הקצב בליבה של הרכיבים השונים ברשת ליותר ויותר קטנים, איכותיים ויעילים. השיטה המסורתית איננה בהכרח תמיד הטובה ביותר.
עם המספר הגדֵל במהירות של מכשירי קצה מרושתים ושל עומס הנתונים הכרוך בכך, גוברות וגדֵלות גם הדרישות מהרשתות. על מנת להיות מסוגל לשלוט בשטף זה של ביטים ובָּייטים גם בעתיד, וכן לשלוט בהעברות בהן גורם הזמן הינו קריטי, אמורים בשנים הבאות להרחיב ולפתח בהדרגה את האינטרנט לרשת יותר ויותר סינכרונית.
האתגר בזאת הינו דומה לאתגר אשר מצוי בתזמורת. ככל שהיצירה המוזיקאלית הינה מורכבת יותר וככל שהאנסמבּל גדול יותר, כך חשיבותו של מנצח מתעצמת. במקרה של העברת נתונים, מנצח זה הינו מה שקרוי שעון העל (Masterclock). מדובר, לעיתים קרובות, בשעון אטומי, אשר הקצב שלו מועבר אל קודקודי הרשת הספציפיים באמצעות רדיו, סיב אופטי או לוויין.
ואולם, כמו מוזיקאי, אשר מביט מדי פעם בגיליון התווים שלו, גם הקָדקוד הבודד לא יכול לתמיד לראות את המנצח, או לחילופין את שעון העל, ועל כן הוא עצמו חייב להיות בעל חוש קצב טוב. במקרה של מוזיקה, חשוב שכל כלי נגינה יחֶל בפעולתו במועד הנכון, ינגן בקצב הנכון, ושהנגנים יפתחו תוך כדי כך את הדף הנכון בפָּרטיטוּרה. ואילו בסינכרוניזציה של הרשת, מקבילה לכך הסינכרוניזציה של הפאזות, התדרים והזמן (ראֵה תרשים 1).
בעוד שעבור רשתות המבוססות על אתרנט (Ethernet) הייתה עד עתה מכרעת בעיקר הסינכרוניזציה של התדרים, כלומר שהנתונים מועברים בקצב אחיד, הרי שלצורך העברת נתונים סינכרונית הופכת גם הסיכרוניוּת של הפאזות, כלומר התזמון, לחשובה יותר ויותר.
נקודת ייחוס אבסולוטית משותפת, כלומר סינכרוניזציה של הזמן, או לחילופין של התאריך, הינה לעיתים קרובות חשובה פחות, אולם היא מועמדת ממילא לרשות (המשתמשים) על ידי שירותים רבים, כמו למשל מערכת מיקום גלובאלית (GPS).

ואולם, דווקא מערכת GPS חשופה להפרעות, ולכן חייבים להעמיד ולהכין שעוני על נוספים, או אולי לחילופין שעון פנימי איכותי, על מנת לגַשר על פני נפילות וחסָרים אפשריים. מכיוון שאנו לא יכולים להרשות לעצמנו שעונים אטומיים עבור מרכזי נתונים קטנים למדי או אפילו רשתות ביתיות, מסתמכים כאן באופן מסיבי על מַתנֵדים (Oscillators) על בסיס קוורץ. בזאת מופעלים לעיתים קרובות, בקדקודי נתונים קטנים ובתחנות בסיס של טלפוניה ניידת – במה שקרוי מַתנֵדי גביש מבוקרי תנור (Oven-Controlled Crystal Oscillator), ובקיצור OXCOs. ברכיב זה מאוזנת ומקוזזת התלות בטמפרטורה של רֶטֶט הקוורץ על ידי כך, שגביש הקוורץ מחומם בעזרת גו חימום על גבי נקודת ההיפוך (Turn Over Point, TOP) שלו והטמפרטורה נשמרת באופן קבוע (ראֵה תרשים 2).
OXCOs מצטיינים ביציבות מעולה על פני מלוא טווח הטמפרטורות אשר בשימוש, כמו גם ברגישות מאוד זעומה לזרמי אוויר (airflow sensitivity). בהשוואה לשעונים אטומיים הם אומנם יקרים פחות, אולם למרבה הצער, בשל המבנה המורכב שלהם, הם בכל זאת עדיין יחסית גדולים, יקרים, ולעיתים קרובות בעלי צריכת זרם גבוהה.
על כן, בעתיד עשויים להוות אלטרנטיבה מעניינת מתנדי גביש מבוקרי טמפרטורה (Temperature Compensated Crystal Oscillator) או בקיצור TXCOs. אלה מורכבים ממתנגד גביש מבוקר מתח (VCXO) וכן וסַֹת מתח התלוי בטמפרטורה (ראֵה תרשים 3).
בעבר, לעיתים קרובות, TXCOs לא נלקחו בחשבון על ידי מפַתחים לצורך יישומים מדויקים ביותר, בשל “הרגישות הגבוהה שלהם לזרימת אוויר” וכן בשל יציבות הטמפרטורה הזעומה יותר שלהם.
עם זאת, היום מגיעים מספר דגמים כבר לכלל יציבות של

100ppb± בטווח טמפרטורות שבין- , סדר גודל אשר בו מצויה גם פעולתם של אחדים מה- OXCOs הקטנים יותר.
גם את הרגישות לזרימת אוויר ניתן היה לשפר במידה ניכרת בעזרת אמצעים חדשניים. חברת Epson נמנית, בזכות טכנולוגיית ה-DoubleSealTM שלה, לאחד החברות המובילות בתחום זה. במקרה של ה-TCXOs מסִדרה TG, משתמשת Epson במעטפת כפולה של הגביש, על מנת לנתק אותו באופן מוחלט מהשפעות הסביבה. בנוסף לכך, חיישן הטמפרטורה והגביש מצויים מבחינה מרחבית מאוד קרובים זה לזה, ועל ידי כך מובטח פיצוי אופטימאלי (ראֵה תרשים 4).
עקב צעדים אלה, הדיוק ב-TCXOs המודרניים הינו מספיק לחלוטין כיום עבור סטנדרטים רבים של העברה אלחוטית וחוטית, בעוד שהם יכולים להצטיין בזאת בצריכת זרם שהינה פחוּתה במידה ניכרת. דבר זה הופך אותם מעל לכל מותאמים ליישומים ניידים רבים.
לפיכך, עם הדור החדש של TCXOs מוצע למפַתחים לא סתם תחליף לרכיב ישן שהוכיח את עצמו. יותר נכון לומר, שניתן להם ביד רכיב חדש, שאותו הם יכולים להפעיל, על פי הצורך והדרישות הטכניות בעת הגדרת המוצר ותכונותיו. שכן בסופו של יום, אתם המחליטים כיצד ייראו קובעי הקצב של העתיד.

סיכום ומסקנה
על מנת להתמודד עם הדרישות הגוברות וגדֵלות בטכנולוגיית הרשתות, נדרשים פתרונות חדשניים. בזאת חייבים מפַתחים לבצע פשרות. מול דרגות דיוק יותר ויותר גבוהות עומדת הדרישה לעלויות נמוכות יותר, בהינתן הצורך בפחות מקום, וכן התחשבות בהיבט הסביבתי.
לצורך מציאת הפשרות, עשויים להיות לעֵזר למפַתחים הנוטים בכיוון זה, הסטנדרטים וכן הפרסומים שחוברו על ידי המוסדות IEEE (“מכון מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה”) ו-ITU (“איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי”). אלה מספקים אינדיקציות לגבי דרישות עדכניות ועתידיות, והם מעודכנים באופן שוטף.

הכתבה נמסרה באדיבות
חברת ARROW