Près de 28 000 térabits par seconde seront échangés en 2025 dans et entre les fermes de serveurs informatiques, selon le fournisseur Equinix. Soit trois fois plus qu’en 2022... Les datacoms, ces transmissions de données de quelques mètres à plusieurs kilomètres, évoluent à une vitesse vertigineuse. Les émetteurs-récepteurs optiques, modules intercalés entre les fibres optiques et les commutateurs ethernet aiguillant les données, évitent la congestion grâce à leur débit qui double tous les deux ans, de 400 (le plus répandu) à 800 gigabits par seconde (Gbit/s).
Mais ces modules vont finir par buter sur les limites technologiques, de par leur architecture complexe, mêlant optique et électronique : lasers (1,31 micromètre pour les datacoms), modulateurs encodant les données dans les signaux optiques et pilotés par un processeur de signal numérique (DSP), microlentilles pour aligner les chemins optiques...
« À 800 Gbit/s, ça chauffe de plus en plus et le tout devient très difficile à assembler », avertit Yannick Paillard, chargé du développement commercial de Scintil Photonics. Cette deeptech française, fondée en 2018 et issue du CEA-Leti, brandit sa solution : un circuit photonique sur silicium « tout-en-un » de quelques centaines de millimètres carrés, incorporant des lasers à base de phosphure d’indium, des modulateurs en silicium, des photodétecteurs en germanium...
Scintil Photonics met en œuvre une trentaine de brevets du CEA-Leti pour aboutir à un tel degré de miniaturisation, avec au premier chef la délicate intégration des lasers semi-conducteurs III-V [lire page 34]. « Les premiers échantillons de notre puce à 800 Gbit/s (1 x 800, 2 x 400 ou 4 x 200 Gbit/s) arriveront d’ici à la fin de l’année », annonce Yannick Paillard. La deeptech livrera ses puces aux fabricants d’équipements réseau et de modules, tels que Cisco, Arista, Juniper, InnoLight...
La photonique sur silicium est conforme à la règle d’or énoncée par Scintil Photonics : quand le trafic double, l’énergie par bit et le coût doivent être divisés par deux, ceci afin que le coût d’exploitation des datacenters n’explose pas. Cette technologie a l’avantage de ne consommer que quelques dizaines de picojoules par bit, tout en densifiant les installations. Un critère essentiel dans des espaces normalisés et contraints.
Le marché se verticalise
De grands acteurs des réseaux se sont engagés dans cette voie. Cisco a dépensé plus de 5 milliards de dollars pour mettre la main sur Luxtera, en 2019, puis Acacia, en 2021, deux pionniers des puces photoniques sur silicium, sans laser intégré toutefois. Juniper Networks et l’éditeur Synopsys ont également uni leurs forces en 2022 dans l’intention de créer une plateforme ouverte dédiée à la conception de ce type de circuits. Mais les honneurs reviennent surtout à l’américain Intel, qui tracte ce marché émergent. Depuis 2016, la firme au logo bleu a écoulé cinq millions de modules optiques assortis de puces photoniques sur silicium avec lasers intégrés.
« Après avoir commencé à l’étudier il y a vingt ans dans nos labos, nous avons jugé que cette technologie était assez mature, explique Scott Schube, le directeur du marketing stratégique des produits pour datacenters chez Intel. La génération à 4 x 400 Gbit/s nous occupe déjà, bien qu’elle n’équipera pas les datacenters avant 2025-2026. » La performance n’est pas seulement commerciale. « Intel a dissipé les doutes en démontrant que l’intégration de lasers à semi-conducteurs III-V était industrialisable », salue Yannick Paillard. De quoi encourager les industriels et deeptechs à se jeter à l’eau.
Mais la photonique sur silicium va encore plus loin. Forgé par Meta et Microsoft, le consortium CPO (co-packaged optics) propose de rapprocher sur un même substrat la photonique sur silicium et l’électronique, à l’intérieur des commutateurs réseau. L’objectif est d’éliminer les interconnexions électriques, car « la transition entre l’électronique et l’optique consomme 50 % de l’énergie totale, notamment pour resynchroniser les données », indique Kamel Merghem, enseignant-chercheur à Télécom SudParis.
La photonique sur silicium va encore plus loin : rapprocher sur un même substrat la photonique sur silicium et l’électronique, à l’intérieur des commutateurs réseau
Même les processeurs du cloud computing, mis sur le gril par des IA avides de bande passante, seront reliés optiquement. L’entente CW-WDM MSA (continuous-wave wavelength division multiplexing multi-source agreement) établit des spécifications pour des réseaux de lasers et le multiplexage de 32 longueurs d’onde au maximum pour convoyer toujours plus de données. Faute de quoi, notre boulimie du numérique ne sera plus assouvie.
Le photon, future bête en calcul ?
Véhicule de l’information, le photon devient un moyen de la traiter, avec une latence de quelques nanosecondes (due à sa vitesse de 100 000 km/s), et une dépense énergétique quasi nulle pour des opérations élémentaires. Le circuit photonique programmable de la deeptech espagnole iPronics se veut ainsi l’équivalent du FPGA (field programmable gate array). Un maillage hexagonal d’interféromètres, agissant sur l’amplitude et la phase du signal optique, sert à router, filtrer, combiner ou égaliser des signaux optiques. Peut-être un futur concurrent du processeur de signal numérique (DSP) ?
L’américain Lightelligence a conçu Pace, un moteur photonique pour le calcul matriciel 64 x 64. Pace résout un modèle statistique d’Ising (interactions entre 63 ou 64 spins de particules) en 15 millièmes de milliseconde (ms), contre 12,8 ms pour un processeur graphique classique. Mais c’est surtout l’IA qui motive les recherches, avec l’espoir de réaliser une puce photonique spécifique destinée aux datacenters, dix fois plus sobre que les solutions existantes.
Plusieurs deeptechs outre-Atlantique lèvent des dizaines de millions de dollars : Lightmatter, Celestial AI ou encore Luminous. Composé de 16 puces photoniques Envise, le serveur de Lightmatter, conçu pour inférer de larges réseaux de neurones type GPT-3, exécute ses instructions trois fois plus rapidement qu’un système dédié DGX-A100 de Nvidia. L’anglais Salience Labs projette, lui, de superposer puce photonique et mémoire Sram pour gagner en vitesse.
