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Photonique : IBM fait entrer la lumière dans les processeurs

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Pour faire dialoguer à haut débit les cœurs des futurs processeurs, l'une des voies explorées consiste à installer dans le processeur un minuscule réseau optique. IBM vient de présenter une première réalisation, un commutateur photonique miniature capable de gérer un flux de 1 térabit par seconde.

Figure 2. Photographie (prise au microscope optique) du circuit expérimental, montrant les huit commutateurs, composés de cinq résonateurs. © IBM

Multiplier les cœurs est un bon moyen d'augmenter les performances d'un processeur. Mais dans peu d'années, au lieu des quatre ou huit cœurs des bons processeurs actuels, les puces en compteront des dizaines... Un des goulets d'étranglement sera alors la rapidité des échanges de données entre eux. Aujourd'hui, en effet, les cœurs communiquent par l'intermédiaire de millions de fins fils de cuivre. Mais la résistance électrique de ces conducteurs et la dissipation d'énergie sous forme thermique imposent une limite aux débits envisageables.

La liaison optique constitue une solution pour la dépasser. Depuis des années, la plupart des fabricants de processeurs cherchent à installer des réseaux optiques au sein des ordinateurs, entre processeurs, entre les cœurs d'une même puce voire entre le processeur et la mémoire. Le souhait de tous est de marier cette photonique avec l'électronique traditionnelle, ce qui a conduit à explorer la voie du silicium pour fabriquer les éléments essentiels, des diodes laser (qui transforment le signal électrique en lumière) aux photodétecteurs (qui effectuent l'opération inverse) en passant par les conducteurs.

Un prototype mis en situation

Sur ce chemin, IBM vient de progresser d'un pas. Dans un article à paraître dans la revue Nature Photonics (High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks), Yurii Vlasov, William Green et Fengnian Xia, qui travaillent au centre de recherche Watson, présentent un commutateur optique de taille microscopique. Ce minuscule composant, d'une surface de 5 dix millièmes de millimètre carré, peut recevoir un signal optique à l'une de ses portes et l'aiguiller vers l'une de ses trois autres portes avec un temps de commutation très faible.

Figure 1. Schéma d'un processeur à huit cœurs (en vert) reliés entre eux par un mini-réseau optique constitué de commutateurs (représentés par les boîtes noires) agissant comme des routeurs (voir leur structure figure 2). Chacun peut assurer une certaine connexion. Dans cet exemple, les échanges ont lieu entre les cœurs A et H, F et G, E et D. © IBM

D'après IBM, chaque commutateur peut atteindre un débit de 40 Gb (gigabits) par seconde, pour chaque longueur d'onde. Ce circuit, en effet, peut aiguiller simultanément plusieurs signaux lumineux à des longueurs d'onde (donc des couleurs) différentes. L'équipe affirme pouvoir atteindre ainsi un débit de 1 Tb (térabit) par seconde. L'espoir, dixit IBM, est de parvenir à transmettre cent fois plus d'informations pour une consommation dix fois moindre.

Les trois ingénieurs disent avoir testé leur circuit en conditions réalistes, où les températures varient beaucoup dans le voisinage atteignant par moment des valeurs élevées au niveau du circuit (un cœur par exemple) qui travaille davantage que les autres à cet instant.

Intel, Sun Microsystems et des laboratoires privés ou publics travaillent eux aussi à l'intégration de la photonique dans les matériels informatiques. Cette voie semble désormais assez sûre pour que beaucoup s'y engagent...