Conduire l’ère de la photonique sur silicium avec des lasers intégrés

Au cours des dernières décennies, le silicium a indéniablement été le joyau de la couronne de la transformation de l’industrie des semi-conducteurs. Mais avec le plafonnement de la loi de Moore, la complexité croissante des circuits et la croissance explosive des applications gourmandes en données, les entreprises ont besoin de moyens encore plus innovants pour calculer, stocker et déplacer les données plus rapidement. En conséquence, l’échelle, la vitesse et la puissance sont devenues des forces sous-jacentes pour gérer à la fois les besoins avancés en matière d’intelligence et de calcul.

La photonique sur silicium s’est déjà imposée pour ses performances impressionnantes, son efficacité énergétique et sa fiabilité par rapport aux circuits intégrés électroniques conventionnels. Les exigences de vitesse globales sont devenues suffisamment rapides, profitant des atouts de la technologie pour transférer efficacement des données sur des distances toujours plus courtes. Pendant ce temps, l’intelligence artificielle (IA) pousse l’informatique à un point où les composants électroniques doivent communiquer sur de longues distances pour combiner et intégrer plusieurs XPU (unités de traitement spécifiques à une application).

La recherche et la commercialisation de la photonique sur silicium ont connu une montée en puissance parallèle, avec des marchés tels que la communication de données, les télécommunications, l’informatique optique et les applications de détection haute performance comme LiDAR voyant également ses avantages prendre vie. Selon une étude de LightCounting, le marché des produits à base de photonique au silicium devrait passer de 14 % en 2018-2019 à 45 % d’ici 2025, indiquant un point d’inflexion pour l’adoption de la technologie.1

Cela n’est pas surprenant, car de plus en plus d’entreprises collaborent et investissent dans la photonique sur silicium pour résoudre les goulots d’étranglement actuels des E/S électriques et de la bande passante, ainsi que les défis auxquels sont confrontés les composants discrets existants pour offrir une croissance et des performances exponentielles.

Ce changement de marché et cette aspiration ne se sont pas produits du jour au lendemain.

Comment nous en sommes arrivés là : des tubes à vide aux interconnexions

Des années 1920 aux années 1950, tous les composants électroniques étaient des éléments séparés – principalement des tubes à vide qui contrôlaient le flux de courant électrique entre les électrodes auxquelles une tension électrique serait appliquée. Peu de temps après, le premier transistor est inventé, ce qui marque le début des progrès extraordinaires de l’industrie électronique. L’industrie s’est ensuite encore développée avec la création des circuits intégrés – une puce avec des millions ou des milliards de transistors intégrés. Le développement du microprocesseur a rapidement suivi, profitant à tout, des calculatrices de poche aux appareils électroménagers.

Les microprocesseurs classiques ont progressé en vitesse tout au long des années 1990, mais depuis 2003 environ, les processeurs grand public ont atteint le mur d’horloge de 3 GHz. Malgré l’augmentation du nombre de transistors, non seulement les processeurs surchauffent, mais même les transistors plus petits ont cessé d’être plus efficaces. Cela signifiait que le transfert de données d’une puce informatique vers une mémoire ou une autre puce informatique via des fils de cuivre n’était plus durable, quelle que soit la distance, et cela ajoutait à divers degrés de difficulté.

La lumière au bout du tunnel est devenue de la photonique au silicium.

L’industrie a commencé à voir la promesse d’exploiter la puissance de la lumière et de combiner les lasers à semi-conducteurs et les circuits intégrés. La riche histoire et l’évolution de l’électronique ont inspiré les chercheurs et les ingénieurs à trouver de nouvelles façons d’intégrer des fonctions sur une puce et d’utiliser des faisceaux lumineux à des longueurs d’onde bien définies pour être plus rapides que les interconnexions électriques.

Aujourd’hui, une trajectoire physique similaire se produit avec des interconnexions électriques pour les puces à 100 Gbit/s par voie (quatre niveaux à 50 Gbit/s), où une grande puissance d’égalisation doit être ajoutée pour pousser le signal sur les fils de cuivre. En fait, à 200 Gbit/s par voie (quatre niveaux à 100 Gbit/s), ce problème s’aggrave.

Les interconnexions photoniques, en revanche, ne souffrent pas du même problème car les fibres peuvent facilement transmettre plusieurs téraoctets de données. En termes simples, tirer parti de la photonique pour transférer des informations présente des améliorations substantielles en termes de vitesse et d’efficacité énergétique par rapport aux approches électroniques.

La course à la puissance et à la vitesse

Chaque accélération se fait au prix d’une plus grande consommation d’énergie. À mesure que la complexité des circuits et de leurs conceptions augmente, qu’il s’agisse d’un nombre élevé de voies, d’une détection dense ou d’interconnexions térabit, les équipes devront inévitablement s’éloigner des approches discrètes. Nous assistons déjà à cette transition au sein de l’industrie, les entreprises passant des éléments discrets à la photonique sur silicium, et éventuellement à des plates-formes dotées de lasers intégrés de manière monolithique sur puce pour un gain optique supplémentaire.

Dans le monde de l’interconnexion, l’accent est toujours mis sur le débit de données par broche. Aujourd’hui, une interconnexion à 100 Gbit/s se fait en quatre niveaux avec 50 Gbit/s pour obtenir deux fois plus de données pour passer par une liaison de données à 50 Gbit/s. Mais une interconnexion de 200 Gbit/s finit par pousser plus de puissance pour obtenir ce signal via une interconnexion électrique. Finalement, la quantité d’énergie consommée finit par devenir un problème, en particulier lorsqu’elle est poussée sur de plus grandes distances. Par conséquent, les équipes ne peuvent plus faire passer de données via ces interconnexions électriques.

Ce n’est pas le cas des fibres optiques. Considérez une fibre optique comme une autoroute ouverte à mille voies. Le boîtier informatique peut être conçu pour être aussi grand qu’un centre de données sans sacrifier l’utilisation de bandes passantes plus petites pour s’interconnecter. Mais lors de l’utilisation de composants discrets, la taille des processeurs est limitée par leur interconnexion.

Aujourd’hui, certaines entreprises prennent une plaquette de 12 pouces et en font une seule puce massive, avec des interconnexions conçues pour que tous les cœurs fonctionnent à haute vitesse afin que les transistors puissent fonctionner ensemble comme un seul. Pourtant, à mesure que les architectures informatiques modernes se rapprochent de leurs limites de performances théoriques, ces demandes de bande passante augmentent en complexité et en taille, ce qui rend l’intégration laser plus coûteuse. Avec la photonique au silicium standard, il faudrait attacher un laser séparément, ce qui ne s’adapte pas bien à plusieurs canaux.

Lasers intégrés : un match fait pour les conceptions de nouvelle génération

L’intégration laser a longtemps été un défi en photonique sur silicium. Les principaux sujets de préoccupation concernent les fondamentaux mêmes de la physique impliqués au niveau de la conception et l’augmentation des coûts liés à la fabrication, l’assemblage, l’ajout et l’alignement de lasers discrets pour la puce. Cela devient un test plus important lorsqu’il s’agit d’une augmentation du nombre de canaux laser et de la bande passante globale.

À ce jour, la photonique sur silicium a vu plusieurs composants photoniques intégrés sur une puce, mais un élément clé manquant jusqu’à présent est le gain intégré. Le gain sur puce s’éloigne de la photonique au silicium standard pour atteindre un nouveau niveau d’intégration et améliore les capacités globales de calcul et de traitement. Cela permet de fournir des transferts de données à grande vitesse entre et au sein des puces à des ordres de grandeur bien supérieurs à ceux qui peuvent être obtenus avec des dispositifs discrets. La capacité avancée de la technologie à générer des performances plus élevées à une puissance inférieure ou à réduire les coûts de conception et les processus de fabrication a contribué à favoriser leur adoption.

Prenez des applications de détection ultrasensibles telles que LiDAR. Pour un LiDAR cohérent, la lumière de l’émetteur doit être mélangée avec le récepteur pour extraire les informations, c’est pourquoi il obtient de meilleures informations de portée à une puissance inférieure. Avec un laser intégré sur une seule puce, ce processus devient plus facile car vous pouvez séparer la lumière et la placer sur une autre partie du circuit. Si vous deviez le faire avec des composants discrets, cela nécessiterait une quantité importante d’emballage. Bien que l’étendue de ses avantages dépende de la complexité du circuit, c’est l’une des principales raisons pour lesquelles des approches telles que le LiDAR cohérent à onde continue modulée en fréquence (FMCW) bénéficient réellement d’une approche intégrée. Interfaces optiques et système sur puce (SoC) co-emballées. (Avec l’aimable autorisation d’OpenLight)

La photonique au silicium remplacera-t-elle les interconnexions électriques ?

Le traitement de matériaux tels que le phosphure d’indium pour un laser à semi-conducteur directement sur le processus de fabrication de la plaquette photonique en silicium réduit le coût et améliore l’efficacité énergétique et le gain sur puce, et simplifie également le conditionnement. Avec des lasers intégrés de manière monolithique, les rendements restent élevés, tandis que la mise à l’échelle d’une conception avec des composants discrets entraîne des rendements inacceptables. À ce stade, même des dizaines de composants dans un circuit sont révolutionnaires.

Cependant, tout comme l’adoption de toute nouvelle technologie, l’écosystème traverse une courbe d’apprentissage. La plupart des unités de fabrication s’habituent encore à lier des matériaux tels que le phosphure d’indium et l’arséniure de gallium (utilisés pour fabriquer des lasers) au silicium. En raison de leurs propriétés physiques et thermiques différentes, certaines barrières à l’entrée sont relatives à des approches discrètes qui doivent être surmontées. En bref, les usines qui ont passé des décennies à clouer des plaquettes de 8 ou 10 pouces et différentes puretés de matériaux doivent maintenant apprendre à utiliser des matériaux plus récents et un espace de conception différent qui rend le processus unique.

Photonique sur silicium avec gain intégré

Avec le rythme auquel la technologie photonique sur silicium s’accélère, les entreprises et les fonderies vont inévitablement étendre la collaboration et les investissements en R&D pour permettre un écosystème photonique solide pour les composants et les solutions intégrées. À mesure que les émetteurs-récepteurs passeront à huit ou 16 voies, la photonique sur silicium sera la seule technologie capable de fournir les performances nécessaires à une puissance inférieure et à un coût raisonnable.

Certains peuvent affirmer qu’avec la complexité de chaque application qui varie et que le circuit sous-jacent est au cœur, il peut encore y avoir des inconnues en termes de potentiel dans des domaines tels que l’autonomie complète ou les systèmes avancés d’assistance à la conduite (ADAS), mais en aucun cas façon dont ses bienfaits seront invisibles. À un moment donné, la photonique sur silicium arrivera à maturité et certaines mesures clés, notamment la bande passante, le coût et l’énergie par bit, suffiront à remplacer l’électronique. À l’avenir, la principale valeur du passage à l’optique sera sa portée.

RÉFÉRENCE

1. Voir www.lightwaveonline.com/14177636.

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