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IBM invente les premiers circuits nanophotoniques bon marché

Relier des connexions optiques ultrarapides à des processeurs ou des mémoires classiquement électroniques : c'est une voie de recherche activement explorée. IBM vient de présenter une étape majeure : la réalisation d'un circuit « nanophotonique » exploitant les standards de fabrication des semiconducteurs actuels. De quoi accélérer les serveurs et les supercalculateurs, voire, un jour, les ordinateurs personnels.

Sur cette illustration, les fils de couleur bleue représentent les canaux conduisant les photons. Ils sont imbriqués dans les structures jaunes en cuivre dans lesquelles on trouve le signal électrique. © IBM Labs Sur cette illustration, les fils de couleur bleue représentent les canaux conduisant les photons. Ils sont imbriqués dans les structures jaunes en cuivre dans lesquelles on trouve le signal électrique. © IBM Labs

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Depuis plus d’un demi-siècle, l’électron règne en maître sur le transport des données au sein des systèmes informatiques. À l’avenir, le photon pourrait bien lui voler la vedette. En effet, la lumière, avec sa fréquence plus élevée, permet des débits plus grands, elle ne génère pas d’interférence magnétique, pas de chaleur et n'impose qu'une faible consommation. Fonctionnant de pair avec des processeurs rapides classiques, des circuits optiques pourraient acheminer les données à des vitesses extraordinaires et révolutionner l'informatique, du supercalculateur au simple ordinateur personnel.

Mais si le concept de liaisons photoniques date de la fin des années 1960, les technologies restaient jusqu’à maintenant à l’état de prototypes, trop imposants ou trop coûteux pour être déployés au niveau industriel.

Les laboratoires d’IBM viennent peut-être de trouver une solution. Big Blue vient en effet de présenter une « révolution technologique » (sic) lors de la conférence IEEE International Electron Devices Meeting à San Francisco (États-Unis). La prouesse réside dans le fait que pour réaliser ce circuit interfaçant l'optique et l'électronique, IBM n'utilise que les procédés de production standard des semiconducteurs avec une finesse de gravure de 90 nm. Le circuit n’est donc pas beaucoup plus compliqué à fabriquer qu’un semiconducteur standard.

Ce circuit nanophotonique est le fruit de 10 ans de recherche chez IBM. Cette illustration montre le cube de silicium de 0,5 mm de côté. Il intègre tous les éléments constituant un émetteur-récepteur. Sur le flanc gauche se trouve le photodétecteur optique (en rouge). Le modulateur (qui modifie à la demande le signal lumineux) est placé sur la partie droite du cube (en bleu). © IBM Labs
Ce circuit nanophotonique est le fruit de 10 ans de recherche chez IBM. Cette illustration montre le cube de silicium de 0,5 mm de côté. Il intègre tous les éléments constituant un émetteur-récepteur. Sur le flanc gauche se trouve le photodétecteur optique (en rouge). Le modulateur (qui modifie à la demande le signal lumineux) est placé sur la partie droite du cube (en bleu). © IBM Labs

Une puce nanophotonique pour combiner photons et électrons

Concrètement, la prouesse à laquelle sont parvenus les ingénieurs d'IBM est d'assembler dans un même cube de silicium de 0,5 mm de côté, à la fois un photodétecteur en germanium, un modulateur et un multiplexeur en longueur d'onde. Cet ensemble permet donc de disposer d'un émetteur-récepteur bon marché pouvant transmettre des données à des vitesses très élevées.

Dans ce composant, les circuits nanophotoniques sont interconnectés sur neuf étages avec des transistors classiques grâce à un maillage de fils métalliques. Avec ce système, la puce parvient à combiner les signaux optiques et les électrons avec très peu de latence.

Avec cet assemblage, un seul émetteur-récepteur peut développer des débits multiplexés de 25 Gb/s (environ 3 Go/s) sur quatre canaux. L’avantage : en plus de transmettre le signal à très haut de débit, il n’y a plus besoin de le convertir en courant électrique. Un atout important pour les infrastructures des datacenters, où les serveurs doivent faire transiter des données sur de longues distances.

Dans son communiqué, IBM explique que grâce à la finesse de gravure du silicium, il est possible de disposer d'un module de 5 mm x 5 mm doté de 50 émetteurs-récepteurs. Ainsi, la bande passante peut atteindre 1,2 Tb/s, soit 150 Go/s. Le fait d’utiliser un processus industriel classique pour concevoir ce émetteur-récepteur représente la plus grande avancée. Elle prouve que la technologie pourrait être exploitée de façon opérationnelle pour être déployée en grande quantité à faible coût. On pourrait bien trouver ce type de technologie dans les équipements des datacenters, puis dans les ordinateurs domestiques d'ici quelques années.


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