Des photons accélérant les communications entre plusieurs puces ramassées sur quelques centimètres-carré : c'est le pari de Ncodin, une spin-off du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) qui était présente au lancement du PEPR Electronique à Poitiers, ce mardi 14 mars 2023.
Cette deeptech, dont l’immatriculation au Registre du commerce est imminente, nourrit l’ambition de remplacer les interconnexions métalliques entre puces et entre sous-ensembles d'une puce par des liaisons photoniques. Lesquelles semblent les plus aptes à répondre à l’évolution architecturale des puces dédiées au calcul haute performance et à l’IA.
Ces circuits microélectroniques tendent en effet à se désagréger pour former des « chiplets » séparés, de technologies (finesse de gravure, etc) possiblement hétérogènes et assignés à des fonctions spécifiques : processeur, mémoire, puce graphique spécialisée, puce programmable (FPGA)…
Désagréger pour pérenniser l'évolution des performances
Les motivations sont d’ordre technique et, surtout, économique, explique Francesco Manegatti, ingénieur au C2N et cofondateur de Ncodin : « La loi de Moore stagnant, on n’arrive plus à réduire la taille des transistors pour augmenter les performances, mais les puces ne peuvent pas non plus grandir indéfiniment pour que ces performances continuent de progresser, sinon le rendement de la fabrication baisse et le coût unitaire s’accroît. »
D’où la logique de la désagrégation, que les fabricants de puces ont initiée depuis quelques années – la puce M1 Ultra d’Apple en donne une illustration récente – et veulent pousser au maximum.
Une telle architecture réclame un interposeur, composant intermédiaire qui assure les liaisons entre les chiplets. « C’est une puce de silicium ou d’un matériau organique, packagée en-dessous des chiplets, qui intègre des interconnexions électriques, à savoir des pistes en cuivre », clarifie Francesco Manegatti.
Les interconnexions métalliques butent sur des limites physiques
Cependant, les interconnexions métalliques, de par leur nature physique, ne pourront plus maintenir des communications suffisamment rapides entre un nombre croissant de chiplets, voués à fonctionner de manière synchronisée.
« L’échauffement et la consommation énergétique sont élevés, la capacité parasite accentue la distorsion du signal transféré, l’optimisation simultanée de la bande passante et de la latence n’est pas possible, le signal est perdu si les distances dépassent le millimètre… », énonce Francesco Manegatti.
Des écueils esquivés par la technologie de Ncodin : les photons ne dégagent pas de chaleur, évoluent à quelque 100 000 km/s dans le silicium et peuvent être transportés sur plusieurs centimètres au travers de guides d’ondes.
Une bande passante multipliée par 1000
Les bénéfices exposés par la deeptech durant le PEPR sont très significatifs : la bande passante atteint un pétabit/seconde, soit 1000 fois celle d’une interconnexion métallique, la latence descend sous la nanoseconde au lieu de 100 nanosecondes et l’efficacité énergétique, de l’ordre de 10 femtojoules/bit, progresse d’un facteur 100.
Ce dispositif photonique repose sur trois éléments clés : un laser qui module directement le signal électrique provenant d’un chiplet sous forme de lumière à une longueur d’onde de 1,5 micromètre, un guide d’onde en silicium qui transmet ce signal sans perte et, à l’autre extrémité, un photodétecteur qui reconvertit ce signal optique en signal électrique, à destination d’un second chiplet.
Ncodin Les nanocomposants mis au point par Ncodin sont des cristaux photoniques. Le motif périodique gravé dans la structure des matériaux III-V induit une variation de l'indice de réfraction, selon la même période. La propagation de la lumière est contrôlée avec une précision de l'ordre de sa longueur d'onde.
Des composants de 20 microns
Les lasers et les détecteurs sont fabriqués en phosphure d’indium (InP) et sont fixés sur le silicium à l’aide d’une technique de collage (« die bonding ») mise au point au C2N. « Leurs dimensions réduites à une vingtaine de microns sont le fondement de notre technologie de rupture », souligne Francesco Manegatti.
L’intérêt est de pouvoir concentrer un grand nombre de ces nano-composants – potentiellement plusieurs milliers - dans un interposeur optique. Les lasers habituels à base de semi-conducteurs III-V, employés dans les communications à plus longue distance, font près d’un millimètre de long et leur intégration au silicium est loin d’être généralisée.
Cette technologie est l’aboutissement de 20 ans de recherche sur la nanophotonique de la part de Fabrice Raineri. Cet ancien du C2N, aujourd’hui professeur à l’université Côte d’Azur, est associé à l’aventure Ncodin en compagnie de Francesco Manegatti et Bruno Garbin, post-doctorant au C2N.
La deeptech se lance dans la conception d’un interposeur plug-and-play, conforme au protocole standard UCIe (universal chiplet interconnect express). Derrière l’UCIe, dont les premières spécifications ont été publiées en mars 2022, on retrouve le gratin de la micro-électronique, du cloud et de l’IA : AMD, Google, Intel, nVidia, Microsoft, Meta, Samsung ou encore TSMC.
Vers une commercialisation en 2028
La commercialisation en volume est prévue en 2028, « sur un marché qui pèse aujourd’hui plus de deux milliards de dollars et en forte croissance depuis 2018 », ajoute Francesco Manegatti.
La confiance est de mise pour accomplir cet objectif. « Notre technologie permet de poursuivre la voie de la désagrégation des puces, ce qui peut justifier des investissements dans les fonderies, et elle est compatible avec les procédés standards CMOS de la micro-électronique », se félicite-t-il. Selon lui, la technologie similaire et concurrente du japonais NTT ne jouit pas de cette compatibilité.
La première levée de fonds, planifiée au premier trimestre 2024, sera l’occasion de voir si les investisseurs croient aussi au projet de Ncodin.
