Le sandwich à puce électronique/photonique repousse les limites de l’efficacité de l’informatique et de la transmission de données

Les ingénieurs de Caltech et de l’Université de Southampton en Angleterre ont conçu en collaboration une puce électronique intégrée à une puce photonique (qui utilise la lumière pour transférer des données) – créant un produit final cohérent capable de transmettre des informations à très haute vitesse tout en générant un minimum de chaleur.

Bien qu’il soit peu probable que le sandwich à deux puces se retrouve dans votre ordinateur portable, la nouvelle conception pourrait influencer l’avenir des centres de données qui gèrent de très gros volumes de communication de données.

“Chaque fois que vous passez un appel vidéo, diffusez un film ou jouez à un jeu vidéo en ligne, vous acheminez des données dans un centre de données pour qu’elles soient traitées”, explique Arian Hashemi Talkhooncheh, étudiant diplômé de Caltech, auteur principal d’un article décrivant l’innovation à deux puces qui a été publié dans le Journal IEEE des circuits à semi-conducteurs le 3 novembre.

« Il existe plus de 2 700 centres de données aux États-Unis et plus de 8 000 dans le monde, avec des tours de serveurs empilées les unes sur les autres pour gérer la charge de milliers de téraoctets de données entrant et sortant chaque seconde.

Tout comme votre ordinateur portable chauffe sur vos genoux pendant que vous l’utilisez, les tours de serveurs dans les centres de données qui nous maintiennent tous connectés chauffent également pendant leur fonctionnement, mais à une échelle beaucoup plus grande. Certains centres de données sont même construits sous l’eau pour refroidir plus facilement l’ensemble de l’installation. Plus ils seront efficaces, moins ils généreront de chaleur et, en définitive, plus le volume d’informations qu’ils pourront gérer sera important.

Le traitement des données s’effectue sur des circuits électroniques, tandis que la transmission des données s’effectue plus efficacement à l’aide de la photonique. Atteindre une vitesse ultra-rapide dans chaque domaine est très difficile, mais concevoir l’interface entre eux est encore plus difficile.

“Il existe une demande continue pour augmenter la vitesse de communication des données entre différentes puces, non seulement dans les centres de données, mais également dans les ordinateurs hautes performances. À mesure que la puissance de calcul des puces évolue, la vitesse de communication peut devenir un goulot d’étranglement, en particulier sous des conditions d’énergie strictes. contraintes », déclare Azita Emami, professeur Andrew et Peggy Cherng de génie électrique et de génie médical ; directeur général de l’électrotechnique; et auteur principal de l’article.

Pour relever ce défi, l’équipe de Caltech/Southampton a conçu à la fois une puce électronique et une puce photonique à partir de zéro et les a co-optimisées pour qu’elles fonctionnent ensemble. Le processus, de l’idée initiale au test final en laboratoire, a duré quatre ans, chaque choix de conception ayant un impact sur les deux puces.

“Nous avons dû optimiser l’ensemble du système en même temps, ce qui a permis d’atteindre une efficacité énergétique supérieure”, explique Hashemi. “Ces deux puces sont littéralement faites l’une pour l’autre, intégrées l’une à l’autre en trois dimensions.”

L’interface optimisée qui en résulte entre les deux puces leur permet de transmettre 100 gigabits de données par seconde tout en produisant seulement 2,4 pico-joules par bit transmis. Cela améliore le rendement de puissance électro-optique de la transmission d’un facteur 3,6 par rapport à l’état actuel de la technique. Un picojoule est un billionième de Joule, qui est défini comme l’énergie libérée en une seconde par un courant de 1 ampère à travers une résistance de 1 ohm, soit environ 0,24 calories.

“Alors que le monde devient de plus en plus connecté et que chaque appareil génère plus de données, il est passionnant de montrer que nous pouvons atteindre des débits de données aussi élevés tout en consommant une fraction d’énergie par rapport aux techniques traditionnelles”, déclare Emami.

L’article s’intitule “Un émetteur optique PAM4 100 Gb/s dans une plate-forme SiPh-CMOS intégrée en 3D utilisant des modulateurs MOSCAP segmentés”.