Deux startups apportent la fibre au processeur

Si un CPU à Séoul envoie un octet de données à un processeur à Prague, les informations couvrent la majeure partie de la distance sous forme de lumière, se déplaçant sans résistance. Mais placez ces deux processeurs sur la même carte mère et ils devront communiquer via du cuivre gourmand en énergie, ce qui ralentit les vitesses de communication possibles au sein des ordinateurs. Deux startups de la Silicon Valley, Avicène et Laboratoires Ayar, font quelque chose à propos de cette limite de longue date. S’ils réussissent dans leurs tentatives d’amener enfin la fibre optique jusqu’au processeur, cela pourrait non seulement accélérer le calcul, mais aussi le refaire.

Les deux sociétés développent des réseaux connectés par fibre chiplets, de petites puces destinées à partager une connexion à large bande passante avec des processeurs et d’autres silicium gourmands en données dans un package partagé. Ils augmentent chacun leur production en 2023, même s’il faudra peut-être quelques années avant de voir un ordinateur sur le marché avec l’un ou l’autre produit.

Laboratoires Ayar, a réussi à miniaturiser et à réduire considérablement la consommation d’énergie des types de composants silicium-photonique utilisés aujourd’hui pour transporter des bits autour des centres de données via des câbles à fibre optique. Cet équipement encode les données sur plusieurs longueurs d’onde de lumière à partir d’un laser infrarouge et envoie la lumière à travers une fibre.

d’Avicène Le chiplet ne pourrait pas être plus différent : au lieu de la lumière laser infrarouge, il utilise la lumière ordinaire d’un petit écran en bleu microLED. Et au lieu de multiplexer toutes les données optiques afin qu’elles puissent voyager sur une seule fibre, le matériel d’Avicena envoie les données en parallèle à travers les voies séparées d’un câble optique spécialisé.

Ayar a le poids de l’histoire de son côté, offrant aux clients une technologie similaire à celle qu’ils utilisent déjà pour envoyer des données sur de plus longues distances. Mais Avicena, le cheval noir de cette course, bénéficie des progrès continus de l’industrie des micro-écrans, qui devraient croître de 80 % par an et atteindre 123 milliards de dollars américains d’ici 2030alimenté par un avenir plein d’équipements de réalité virtuelle et même lentilles de contact à réalité augmentée.

“Ces entreprises sont aux deux extrémités du spectre en termes de risque et d’innovation”, déclare Vladimir Kozlovfondateur et PDG de LightCounting, une société d’analyse des télécommunications.

MicroLED vs lasers infrarouges

La puce en silicium d’Avicena, LightBundle, se compose d’un réseau de microLED en nitrure de gallium, d’un réseau de photodétecteurs de taille égale et de certains circuits d’E/S pour prendre en charge la communication avec le processeur qu’il alimente en données. Des câbles optiques jumeaux de 0,5 millimètre de diamètre relient la matrice microLED d’un chiplet aux photodétecteurs d’un autre et vice versa. Ces câbles, similaires aux câbles d’imagerie de certains endoscopes, contiennent un faisceau de cœurs de fibres qui s’alignent avec les matrices sur puce, donnant à chaque microLED son propre chemin lumineux.

Outre l’existence de ce type de câble, Avicena avait besoin de deux autres choses pour se réunir, explique Bardia Pezeshki, PDG de l’entreprise. “Le premier, qui, je pense, a été le plus surprenant pour quiconque dans l’industrie, est que les LED pouvaient fonctionner à 10 gigabits par seconde”, dit-il. “C’est époustouflant” étant donné que l’état de l’art des systèmes de communication par lumière visible il y a à peine cinq ans se situait dans les centaines de mégahertz. Mais en 2021, les chercheurs d’Avicena ont révélé une version du microLED qu’ils ont baptisée micro-émetteurs optiques renforcés par cavité, ou CROME. Les appareils sont des microLED qui ont été optimisés pour la vitesse de commutation en minimisant la capacité et en sacrifiant une certaine efficacité lors de la conversion des électrons en lumière.

Le nitrure de gallium n’est pas quelque chose qui est généralement intégré sur les puces de silicium pour l’informatique, mais grâce aux progrès de l’industrie des écrans microLED, cela est essentiellement un problème résolu. À la recherche d’écrans émissifs lumineux pour AR/VR et d’autres choses, les géants de la technologie tels qu’Apple, Google et Meta ont passé des années à trouver des moyens de transférer des LED à l’échelle micrométrique déjà construites vers des points précis sur le silicium et d’autres surfaces. Aujourd’hui, « c’est fait par millions chaque jour », dit Pezeshki. Avicène elle-même récemment acheté la fab où il a développé les CROME de son voisin de la Silicon Valley Nanosys.

Les fabricants d’ordinateurs voudront des solutions qui non seulement aideront dans les deux à trois prochaines années, mais apporteront des améliorations fiables pendant des décennies.

Le deuxième composant était le photodétecteur. Le silicium n’est pas bon pour absorber la lumière infrarouge, de sorte que les concepteurs de systèmes silicium-photonique compensent généralement en fabriquant des photodétecteurs et d’autres composants relativement grands. Mais comme le silicium absorbe facilement la lumière bleue, les photodétecteurs du système d’Avicena n’ont besoin que de quelques dixièmes de micromètre de profondeur, ce qui leur permet d’être facilement intégrés dans la puce sous le réseau de fibres d’imagerie. Pezeshki crédite Stanford David AB Miller en prouvant, il y a plus de dix ans, que photodétecteurs CMOS détectant la lumière bleue étaient assez rapides pour faire le travail.

La combinaison de la fibre d’imagerie, des microLED bleues et des photodétecteurs au silicium conduit à un système qui, dans les prototypes, transmet “de nombreux” térabits par seconde, explique Pezeshki. Tout aussi important que le débit de données est la faible énergie nécessaire pour se déplacer un peu. “Si vous regardez les valeurs cibles de la photonique au silicium, elles sont de quelques picojoules par bit, et elles proviennent d’entreprises qui sont bien en avance sur nous” en termes de commercialisation, explique Pezeshki. “Nous avons déjà battu ces records.” Dans une démo, le système a déplacé des données en utilisant environ un demi-picojoule par bit. Le premier produit de la startup, attendu en 2023, n’atteindra pas le processeur mais visera à connecter des serveurs au sein d’un rack de datacenter. Un chiplet pour les liaisons optiques puce à puce suivra “juste sur ses talons”, déclare Pezeshki.

Mais il y a des limites à la capacité des microLED à déplacer des données. La lumière LED étant incohérente, elle souffre d’effets de dispersion qui la limitent à environ 10 mètres. Les lasers, en revanche, sont naturellement bons pour tenir la distance ; Les puces TeraPHY d’Ayar ont une portée allant jusqu’à 2 kilomètres, perturbant potentiellement l’architecture des supercalculateurs et des centres de données encore plus que la technologie d’Avicena ne le pourrait. Ils pourraient laisser les fabricants d’ordinateurs repenser complètement leurs architectures, leur permettant de construire “essentiellement une seule puce informatique, mais en la construisant à l’échelle du rack”, explique Charlie Wuischpard, PDG d’Ayar. La société accélère la production avec son partenaire GlobalFoundries et construit des prototypes avec des partenaires en 2023, bien que ceux-ci ne soient probablement pas rendus publics, dit-il.

Kozlov dit s’attendre à l’émergence de nombreux autres concurrents. Les fabricants d’ordinateurs voudront des solutions qui “ne seront pas seulement utiles dans les deux à trois prochaines années, mais apporteront des améliorations fiables pendant des décennies”. Après tout, les connexions en cuivre qu’ils cherchent à remplacer continuent également de s’améliorer.