La photonique sur silicium trébuche sur le dernier mètre

Nous avons déjà posé l'optique à la maison, mais la poser au processeur est toujours problématique

S'il vous semble qu'aujourd'hui nous sommes au bord d'une révolution technologique, imaginez ce que c'était au milieu des années 80. Les puces en silicium utilisaient des transistors d'une taille caractéristique mesurée en microns. Les systèmes à fibres optiques déplacent des milliers de milliards de bits à travers le monde à une vitesse incroyable. Tout semblait possible - il suffit de combiner la logique numérique du silicium, l'optoélectronique et la transmission de données via la fibre optique.

Les ingénieurs ont imaginé comment toutes ces technologies révolutionnaires continueraient d'évoluer et de converger au point où la photonique a fusionné avec l'électronique et l'a progressivement remplacée. La photonique vous permettrait de déplacer des bits non seulement entre les pays, mais aussi à l'intérieur des centres de données, et même à l'intérieur des ordinateurs. La fibre optique transférait les données de puce à puce - ils le pensaient. Et même les puces elles-mêmes seraient photoniques - beaucoup pensaient que des puces logiques incroyablement rapides commenceraient un jour à utiliser des photons au lieu d'électrons.

Naturellement, cela n’est pas arrivé à cela. Les entreprises et les gouvernements ont injecté des centaines de millions de dollars dans le développement de nouveaux composants et systèmes photoniques qui intègrent des racks de serveurs informatiques dans des centres de données utilisant la fibre optique. Et aujourd'hui, de tels dispositifs photoniques connectent vraiment les racks de nombreux centres de données. Mais c'est là que les photons s'arrêtent. À l'intérieur du rack, les serveurs individuels sont connectés les uns aux autres à l'aide de fils de cuivre à faible coût et d'une électronique haute vitesse. Et, bien sûr, des conducteurs métalliques sont placés sur les cartes elles-mêmes, jusqu'au processeur.

Les tentatives visant à introduire la technologie dans les serveurs eux-mêmes, à alimenter directement la fibre vers les processeurs, étaient fondées sur des bases économiques. En effet, il existe un marché des émetteurs-récepteurs optiques pour Ethernet avec un volume de près de 4 milliards de dollars par an, qui devrait atteindre 4,5 milliards de dollars et 50 millions de composants d'ici 2020, selon LightCounting, une société d'études de marché. Mais la photonique n'a pas dépassé ces derniers mètres, séparant le rack informatique du centre de données et le processeur.

Cependant, l'énorme potentiel de cette technologie a continué de soutenir le rêve. Jusqu'à présent, les problèmes techniques restent importants. Mais maintenant, enfin, de nouvelles idées sur les systèmes de centres de données offrent des moyens réalisables d'organiser la révolution des photons, ce qui peut aider à contenir l'afflux de mégadonnées.




À l'intérieur du module photonique

Chaque fois que vous vous connectez à Internet, regardez la télévision numérique ou effectuez presque n'importe quelle action dans le monde numérique d'aujourd'hui, vous utilisez les données transmises par les modules émetteurs-récepteurs optiques. De la tâche consiste à convertir le signal entre les modes optique et numérique. Ces appareils vivent à chaque extrémité de la fibre optique qui achemine les données à l'intérieur du centre de données de tout grand service cloud ou réseau social. Les périphériques se connectent au commutateur situé sur le dessus du rack de serveur et transforment les signaux optiques en signaux électriques afin qu'ils atteignent ensuite plusieurs serveurs dans ce rack. Les émetteurs-récepteurs convertissent également les données de ces serveurs en signaux optiques pour la transmission vers d'autres racks ou via un réseau de commutateurs vers Internet.

Chaque module optique contient trois composants principaux: un émetteur avec un ou plusieurs modulateurs optiques, un récepteur avec une ou plusieurs photodiodes et des puces CMOS qui codent et décodent les données. Le silicium ordinaire émet très peu de lumière, donc les photons sont générés par un laser séparé des puces (bien qu'il puisse être placé dans le même boîtier qu'eux). Le laser ne représente pas les bits en l'allumant et en l'éteignant - il est allumé tout le temps et les bits sont codés dans le faisceau de sa lumière à l'aide d'un modulateur optique.

Ce modulateur, cœur de l'émetteur, peut être de différents types. Le modulateur Mach-Zehnder est particulièrement efficace et simple. À l'intérieur, un guide d'onde en silicium étroit dirige la lumière laser. Le guide d'onde se ramifie en deux, et après quelques millimètres, ils convergent à nouveau. Dans une situation normale, une telle fourchette et connexion n'aurait aucun effet sur le flux lumineux, car les deux bras du guide d'onde ont la même longueur. En se connectant en arrière, les ondes lumineuses restent en phase les unes avec les autres. Cependant, si une tension électrique est appliquée à une branche, cela changera son indice de réfraction, ce qui ralentira ou accélérera l'onde lumineuse. En conséquence, après la rencontre de deux ondes, elles interfèrent de manière destructive l'une avec l'autre, supprimant le signal. Par conséquent, en faisant varier la tension à la branche, nous utilisons un signal électrique pour moduler l'optique.

Le récepteur est plus simple: ce n'est qu'une photodiode et ses circuits de support. La lumière, traversant la fibre optique, atteint la photodiode en germanium ou en silicium-germanium du récepteur, qui produit du courant - généralement chaque impulsion lumineuse est convertie en tension.

Le modulateur et le récepteur sont desservis par l'amplification, le traitement des paquets, la correction d'erreurs, la mise en mémoire tampon et d'autres tâches qui doivent être traitées pour répondre à la norme Gigabit Ethernet pour la fibre. Le nombre de tâches effectuées sur la même puce ou au moins dans le même boîtier qui gère la photonique dépend du fabricant, mais la majeure partie de la logique électronique est séparée de la photonique.


La photonique ne peut jamais transférer de données entre différentes parties d'une puce de silicium. L'oscillateur circulaire du commutateur optique remplit la même fonction qu'un simple transistor, mais il occupe 10 000 fois la surface.

Il y a de plus en plus de circuits intégrés au silicium dans lesquels il y a des composants optiques, et cela peut vous faire penser que l'intégration de la photonique dans le processeur était inévitable. Et pendant un certain temps, on l'a pensé.

Cependant, l'écart croissant entre la réduction rapide de la taille des puces logiques électroniques et l'incapacité de la photonique à les suivre a été sous-estimé, voire ignoré. Aujourd'hui, les transistors ont des dimensions caractéristiques de plusieurs nanomètres. Avec la technologie CMOS 7 nm, plus d'une centaine de transistors logiques à usage général peuvent être placés sur chaque micromètre carré. Et nous ne mentionnons toujours pas le labyrinthe de fils de cuivre complexes au-dessus d'eux. En plus de la présence de milliards de transistors sur chaque puce, il possède également une douzaine de niveaux de composés métalliques reliant ces transistors dans des registres, des multiplicateurs, des dispositifs arithmétiques et logiques et des structures plus complexes qui composent les cœurs de processeur et autres circuits nécessaires.

Le problème est qu'un composant optique typique, par exemple, un modulateur, ne peut pas être significativement plus petit que la longueur d'onde de lumière qu'il transporte - ce qui limite sa largeur minimale à 1 micromètre. Aucune loi de Moore ne peut surmonter cette limitation. Il ne s'agit pas d'utiliser des technologies de lithographie de plus en plus avancées. C'est juste que les électrons - dont la longueur d'onde est de quelques nanomètres - sont maigres, et les photons sont épais.

Mais les fabricants peuvent-ils simplement intégrer le modulateur et accepter le fait qu'il y aura moins de transistors sur la puce? Après tout, des milliards d'entre eux sont déjà placés là-bas? Ils ne peuvent pas. En raison du grand nombre de fonctions du système que chaque micromètre carré d'une puce électronique au silicium peut effectuer, il sera très coûteux de remplacer même très peu de transistors par des composants optiques qui fonctionnent moins bien.

Comptage simple. Supposons qu'une moyenne de 100 transistors soit située sur un micromètre carré. Puis un modulateur optique, occupant une surface de 10 microns par 10 microns, remplace le circuit, composé de 10 000 transistors! Rappelons qu'un modulateur optique conventionnel agit comme le seul interrupteur qui allume et éteint les lumières. Mais chaque transistor lui-même peut fonctionner comme un interrupteur. Par conséquent, grosso modo, le coût de l'inclusion de cette fonction primitive dans le circuit est de 10 000: 1, car il y a 10 000 commutateurs électroniques pour chaque modulateur optique qui peuvent être utilisés par le concepteur de circuits. Aucun fabricant n'acceptera un coût aussi élevé, même en échange d'une augmentation tangible de la vitesse et de l'efficacité qui pourrait être obtenue de l'intégration de modulateurs directement dans le processeur.

L'idée de remplacer l'électronique des puces par la photonique présente d'autres inconvénients. Par exemple, la puce effectue des tâches critiques, telles que l'utilisation de la mémoire, pour lesquelles l'optique n'a aucune capacité. Les photons sont tout simplement incompatibles avec les fonctions de base d'une puce informatique. Et dans les cas où ce n'est pas le cas, cela n'a aucun sens d'organiser une compétition entre les composants optiques et électroniques sur la même puce.


Le schéma du centre de données.
Aujourd'hui (à gauche), la photonique transmet des données sur un réseau à plusieurs niveaux. La connexion Internet est au niveau supérieur (principal). Le commutateur transfère les données de fibre vers les commutateurs du rack supérieur.
Demain (à droite), la photonique pourra changer l'architecture des datacenters. Une architecture à l'échelle du rack pourrait rendre les centres de données plus flexibles en séparant physiquement les ordinateurs de la mémoire et en reliant ces ressources sur un réseau optique.

Mais cela ne signifie pas que l'optique ne pourra pas se rapprocher des processeurs, de la mémoire et des autres puces clés. Aujourd'hui, le marché des communications optiques dans les centres de données tourne autour des commutateurs haut de gamme (TOR), qui comprennent des modules optiques. Au sommet des racks de deux mètres, dans lesquels les serveurs, la mémoire et d'autres ressources sont installés, la fibre connecte les TOR ensemble via une couche distincte de commutateurs. Et ils sont connectés à un autre ensemble de commutateurs qui constituent l'accès Internet du centre de données.

Le panneau TOR typique, où les émetteurs-récepteurs sont bloqués, donne une idée du mouvement des données. Chaque TOR se connecte à un émetteur-récepteur, et qui, à son tour, se connecte à deux câbles optiques (un pour la transmission, le second pour la réception). Dans un TOR d'une hauteur de 45 mm, 32 modules peuvent être insérés, chacun étant capable de transmettre des données à une vitesse de 40 Gbit / s dans les deux sens, ce qui permet de transmettre des données entre deux racks à une vitesse de 2,56 Tbit / s.

Cependant, dans les racks et à l'intérieur des serveurs, les données transitent toujours par des fils de cuivre. Et c'est mauvais, car ils deviennent un obstacle à la création de systèmes plus rapides et plus économes en énergie. Les solutions optiques du dernier mètre (ou quelques mètres) - reliant l'optique au serveur ou même directement au processeur - sont probablement la meilleure opportunité pour créer un énorme marché pour les composants optiques. Mais jusque-là, de sérieux obstacles doivent être surmontés tant dans le domaine des prix que dans celui de la performance.

Les schémas appelés «fibre vers le processeur» ne sont pas nouveaux. Le passé nous donne de nombreuses leçons sur leur coût, leur fiabilité, leur efficacité énergétique et la largeur du canal. Il y a environ 15 ans, j'ai participé à la conception et à la construction d'un émetteur - récepteur expérimental qui a démontré une très large bande passante. La démonstration a connecté un câble de 12 cœurs optiques à un processeur. Chaque cœur transmettait des signaux numériques générés séparément par quatre lasers à émission de surface avec un résonateur vertical (VCSEL). Il s'agit d'une diode laser émettant de la lumière de la surface de la puce, et la lumière a une densité plus élevée que les diodes laser conventionnelles. Quatre bits encodés VCSEL en allumant et éteignant la lumière, et chacun d'eux a fonctionné à sa propre fréquence dans le même noyau, ce qui a quadruplé son débit en raison du multiplexage spectral grossier des canaux . Par conséquent, si chaque VCSEL produisait un flux de données de 25 Gbit / s, le débit total du système atteignait 1,2 Tbit / s. Aujourd'hui, la norme de l'industrie pour la distance entre les fils adjacents dans un câble à 12 fils est de 0,25 mm, ce qui donne une densité de débit de 0,4 Tbps / mm. En d'autres termes, en 100 secondes chaque millimètre peut traiter autant de données que les archives Web de la bibliothèque du Congrès américain en un mois.

Aujourd'hui, des vitesses encore plus élevées sont nécessaires pour transférer des données de l'optique vers le processeur, mais le début n'était pas mauvais. Pourquoi cette technologie n'est-elle pas acceptée? En partie parce que ce système n'était pas suffisamment fiable et peu pratique. À cette époque, il était très difficile de fabriquer 48 VCSEL pour l'émetteur et de garantir qu'il n'y avait pas de pannes pendant sa durée de vie. Une leçon importante a été qu'un laser avec de nombreux modulateurs peut être rendu beaucoup plus fiable que 48 lasers.

Aujourd'hui, la fiabilité de VCSEL a tellement augmenté que les émetteurs-récepteurs utilisant cette technologie peuvent être utilisés dans des solutions pour de courtes distances dans les centres de données. Les cœurs optiques peuvent être remplacés par des optiques multicœurs qui transportent la même quantité de données, les redirigeant vers différents threads à l'intérieur de la fibre principale. Récemment, il est également devenu possible de mettre en œuvre des normes plus complexes pour la transmission de données numériques - par exemple, PAM4 , qui augmente le taux de transfert de données en utilisant non pas deux, mais quatre valeurs de puissance lumineuse. Des études sont en cours pour augmenter la densité de bande passante dans les systèmes de transmission de données de l'optique au processeur - par exemple, le programme Shine du MIT nous permet d'atteindre une densité 17 fois plus élevée que celle dont nous disposions il y a 15 ans.

Ce sont toutes des percées assez importantes, mais prises ensemble, elles ne seront pas suffisantes pour permettre à la photonique de franchir la prochaine étape vers le processeur. Cependant, je pense toujours qu'une telle étape est possible - puisque maintenant le mouvement pour changer l'architecture du système des centres de données prend de l'ampleur.

Aujourd'hui, les processeurs, les systèmes de mémoire et de stockage sont assemblés dans les serveurs lames , dont les boîtiers spéciaux sont situés dans des racks. Mais ce n'est pas nécessaire. Au lieu de placer la mémoire sur les puces du serveur, elle peut être placée séparément - sur le même, ou même sur un autre rack. On pense qu'une telle architecture à l'échelle du rack (RSA) peut utiliser plus efficacement les ressources informatiques, en particulier pour les réseaux sociaux comme Facebook, où la quantité de calcul et de mémoire nécessaire pour résoudre les problèmes augmente avec le temps. Il simplifie également la tâche de maintenance et de remplacement de l'équipement.

Pourquoi cette configuration aide-t-elle la photonique à pénétrer plus profondément? Parce que c'est une telle simplicité de changements de configuration et d'allocation dynamique des ressources que vous pouvez vous permettre grâce à une nouvelle génération de commutateurs optiques efficaces et peu coûteux qui transmettent plusieurs térabits par seconde.


La technologie de connexion optique directement au processeur existe depuis plus de 10 ans

Le principal obstacle à ce changement dans les centres de données est le coût des composants et leur production. La photonique sur silicium présente déjà un avantage en termes de coûts: elle peut tirer parti des installations de production existantes, d'une énorme infrastructure de fabrication de puces et de sa fiabilité. Cependant, le silicium et la lumière se combinent imparfaitement: en plus d'interférer avec les inefficacités dans l'émission de lumière, les composants en silicium souffrent de grandes pertes de lumière. Un émetteur-récepteur optique au silicium typique présente une perte optique de 10 dB (90%). Cette inefficacité n'a pas d'importance pour les connexions courtes entre les commutateurs TOR, car jusqu'à présent, l'avantage potentiel de coût du silicium l'emporte sur ses inconvénients.

Une partie importante du coût d'un module optique en silicium est un détail aussi modeste mais critique qu'une connexion optique. Il s'agit de la connexion physique de la fibre optique et du récepteur ou émetteur, et de la connexion entre les fibres. Chaque année, des centaines de millions de connecteurs optique-optique doivent être fabriqués avec la plus grande précision. Pour imaginer cette précision, notez que le diamètre d'un cheveu humain n'est généralement que légèrement inférieur au diamètre d'un seul brin de fibre de verre de quartz de 125 microns utilisé pour connecter des câbles optiques. La précision avec laquelle il est nécessaire d'aligner la fibre dans le connecteur est de l'ordre de 100 nm - un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain - sinon le signal se fanera trop. Il est nécessaire de développer des méthodes innovantes pour fabriquer des connecteurs pour deux câbles et pour connecter un câble à un émetteur-récepteur afin de répondre aux demandes croissantes des clients pour une grande précision et un faible coût. Cependant, il existe très peu de technologies de fabrication qui rendent la fabrication assez peu coûteuse.

Une façon de réduire le coût est de réduire le coût des puces du module optique. Ici, la technologie de mise en œuvre de systèmes au niveau de l'ensemble du substrat ( intégration à l'échelle de la tranche , WSI) peut aider. Grâce à cette technologie, la photonique est placée sur un substrat de silicium, l'électronique sur un autre, puis les substrats sont connectés (un laser non pas en silicium, mais en un autre semi-conducteur, reste séparé). Cette approche permet d'économiser sur les coûts de production, car elle permet une production et un assemblage parallèles.

Un autre facteur de réduction des coûts est bien entendu le volume de production. Supposons que l'ensemble du marché Ethernet optique gigabit représente 50 millions d'émetteurs-récepteurs par an, et que chaque puce d'émetteur-récepteur optique occupe 25 mm2. En supposant que l'usine utilise des substrats d'un diamètre de 200 mm pour leur production et que 100% des produits fabriqués sont ensuite utilisés, 42 000 substrats sont nécessaires pour ce marché.

Cela peut sembler être un grand nombre, mais ce chiffre ne décrit en fait que deux semaines de travail dans une usine typique. En réalité, n'importe quel fabricant d'émetteurs-récepteurs peut conquérir 25% du marché en quelques jours de production. Il doit y avoir un moyen d'augmenter les volumes si nous voulons vraiment réduire les coûts. La seule façon de le faire est de comprendre comment utiliser la photonique sous le commutateur TOR, jusqu'aux processeurs des serveurs.

Si jamais la photonique au silicium pénètre là où tous les systèmes électroniques fonctionnent, des raisons techniques et économiques convaincantes devront apparaître. Les composants devront résoudre tous les problèmes importants et améliorer sérieusement le système dans son ensemble. Ils doivent être petits, économes en énergie et extrêmement fiables, et doivent également transmettre des données extrêmement rapidement.

Aujourd'hui, il n'existe pas de solution répondant à toutes ces exigences, l'électronique continuera donc de se développer sans intégration avec l'optique. Sans percées sérieuses, les photons épais n'atteindront pas les endroits du système où les électrons maigres dominent. Cependant, si les composants optiques peuvent être produits de manière fiable en très gros volumes à un prix très bas, le rêve de quelques décennies de connecter l'optique au processeur et ses architectures associées peut devenir réalité.

Au cours des 15 dernières années, nous avons réalisé des progrès importants. Nous connaissons mieux les technologies optiques et où elles peuvent et ne peuvent pas être utilisées dans les centres de données. Un marché commercial solide de plusieurs milliards de dollars pour les composants optiques a été développé. Les connecteurs optiques sont devenus un élément essentiel de la structure mondiale de l'information. Cependant, l'intégration d'un grand nombre de composants optiques au cœur même des systèmes électroniques reste peu pratique. Mais cela restera-t-il ainsi? Je pense que non.