Et si les microLEDs, qui commencent à briller dans l’affichage professionnel haut de gamme, multipliaient par 10 le débit des connexions reliant les puces électroniques employées dans les datacenters ? C’est l’ambition du projet Luciole que le CEA-Leti a initié en janvier.
« Nous voulons développer un démonstrateur complet de communication électrooptique de bout en bout, annonce Pierre Vincent, directeur adjoint de la division systèmes au CEA-Leti, à l’initiative de ce projet R&D. Ce qui comprend le design du circuit spécialisé, un ASIC, qui intègrera la chaîne d’émission, les microLEDs et les drivers qui les commandent, ainsi que la chaîne de réception, dont les photodiodes et les amplificateurs à transimpédance à très bas bruit, c’est-à-dire des convertisseurs courant-tension qui améliorent la sensibilité en réception. L’ASIC sera fabriqué à l’aide de la technologie FDSOI (silicium sur isolant totalement déplété, qui réduit les fuites de courant des transistors, ndlr) à 22 nanomètres de Global Foundry. Les matrices de microLEDs et de photodiodes seront reportées sur l’ASIC par une technique de collage hybride. »
Parallélisme massif
Les microLEDs et les photodiodes sont constitués de nitrure de gallium (GaN). Les matrices du démonstrateur compteraient chacune 5x5 microLEDs et 5x5 photodiodes, espacées de 50 micromètres dans un premier temps, puis de 25 micromètres dans le but de les densifier et d’augmenter le débit par millimètre. Lequel est un indicateur-clé dans l’industrie des communications électrooptiques.
À terme, ces matrices comporteraient 10000 éléments, si le projet Luciole est industrialisé d’ici à trois ou quatre ans, comme l’espère le CEA-Leti. Cette technologie est actuellement au stade de preuve de concept, soit un TRL 3. L’intérêt est d’établir une communication massivement parallèle entre une matrice de microLEDs et une matrice de photodiodes, placées l’une et l’autre à l’extrémité d’une fibre imageuse d’une dizaine de centimètres de long. Ce type de fibre, contenant 10000 cœurs optiques, est utilisé dans l’imagerie médicale notamment.
« Compte tenu d’un débit de 1 gigabit par seconde par microLED, on arriverait à un débit de 10 térabits par seconde et par millimètre », indique Pierre Vincent. « D’après leurs feuilles de route, Broadcom ou Nvidia sont aux alentours de 2 gigabits par seconde et par millimètre », compare-t-il.
CEA-Leti Le schéma de principe de la technologie du projet Luciole. Les matrices de microLEDs et de photodiodes en nitrure de gallium sont situées d'un côté et de l'autre d'une fibre imageuse, qui renferme 10000 coeurs optiques.
Ces deux entreprises tablent aujourd’hui sur le CPO, ou optique co-packagée, pour leurs commutateurs réseau, assurant les interconnexions des serveurs dans les datacenters. Remplaçant les modules enfichables à l’extérieur du commutateur, le CPO réalise la conversion électrooptique à l’intérieur du commutateur, au plus proche de l’ASIC aiguillant les données. L’efficacité énergétique s’améliore de facto.
Le projet Luciole poursuit le même but, mais au cœur du serveur, c’est-à-dire le nœud de calcul (typiquement 1 puce généraliste, CPU, et deux puces graphiques, GPU), particulièrement sollicité quand il s’agit d’entraîner un grand modèle d’IA par exemple. L’idée est de remplacer les connexions en cuivre entre ces différentes puces, par exemple le bus NVLink à plusieurs centaines de gigabits par seconde que met en œuvre Nvidia.
« Le circuit imprimé limitant le nombre de fils électriques, le signal transmis doit être sérialisé à des centaines de gigabits/s puis désérialisé via des composants SerDes, explique Pierre Vincent. Mais il y a beaucoup de distorsions. Àla réception, on doit appliquer des mécanismes complexes de traitement de signal, ce qui consomme beaucoup d’énergie et engendre de la latence. Avec un bus de 10000 signaux optiques en parallèle et à bas débit, le signal ne se dégrade pas. C’est un atout majeur. » La latence introduite par la conversion électro-optique resterait inférieure au traitement du signal, dont la correction d’erreurs, requis actuellement. On gagnerait même un facteur 10, selon Pierre Vincent.
Une modulation on/off très simple
Employée par le CPO avec des débits allant jusqu’à 1,6 térabit par seconde, la photonique sur silicium, cette union de fonctions optiques (lasers, détecteurs, modulateurs, guides d’ondes) et électroniques au sein d’un même circuit, pourrait aussi établir des communications entre puces, par l’intermédiaire de fibres optiques. Mais, d’après les chiffres du CEA-Leti, la latence serait supérieure. Et l’efficacité énergétique d’un système basé sur des microLEDs serait inférieure au picojoule par bit, au lieu de 3 picojoules par bit, au mieux, pour la photonique sur silicium.
Pierre Vincent promeut d’autres qualités : « Le débit par microLED étant faible, on peut appliquer une modulation du signal on/off, ce qui simplifie le dispositif. Par ailleurs, les modulateurs optiques dérivent en fréquence à cause de la montée en température, ce qui n’est pas le cas pour notre technologie. La gestion thermique s’en trouve facilitée ».
À en croire Pierre Vincent, des acteurs industriels impliqués dans les datacenters se montrent déjà intéressés, mais il ne donne aucun nom. Si ce n’est celui d’Avicena, une start-up américaine « pionnière » du domaine selon lui, qui a présenté il y a quelques semaines la plateforme Lightbundle, qu’elle continue de développer. Conformément à sa mission, le CEA-Leti, quant à lui, cherchera à l’avenir des partenaires industriels pour le passage à l’échelle de cette technologie.
