En vedette - Nouvelles frontières: les puces transfèrent les données à la vitesse de la lumière
Les lasers sont très performants en matière de transmission d'informations. Chaque fois que vous utilisez Internet ou passer un appel, des données, sous la forme d'impulsions de lumière ou de photons, se déplacent sur des centaines de kilomètres par le biais de réseaux de fibre optique qui traversent le continent. Mais l'intérieur des ordinateurs repose toujours sur une électronique quelque peu ancienne. Les microprocesseurs font leurs calculs à l'aide d'électrons et transfèrent les données au sein et entre les puces également à l'aide d'électrons. «L'électronique atteint rapidement un point critique», explique Dries Van Thourhout du département des technologies de l'information de l'université de Gand, laboratoire associé à l'imec, en Belgique. «Jusqu'à présent, nous avons tenté d'augmenter la vitesse des transistors mais le fait que la performance ait cessé d'augmenter tient simplement au fait que l'on entasse plus d'informations dans moins d'espace. Le plus grand obstacle à la performance est la vitesse des connexions entre les puces et les dispositifs. C'est ce que nous appelons 'le goulet d'étranglement de la connectivité'». Imaginez une usine de sucreries qui fabrique des milliers de bonbons à la seconde, mais qui ne peut emballer et envoyer ces sucreries aux commerces au taux de quelques centaines par seconde. À moins de réduire la production, vous vous retrouverez à des sucreries qui s'empilent et se déversent sur le sol, puis finissent par bloquer le système. Les microprocesseurs puissants dont sont dotés les ordinateurs aujourd'hui utilisent de grandes quantités de données et réalisent des milliers de calculs par seconde. Il faut transférer ces données dans tout votre ordinateur (ou votre téléphone portable). Mais les connexions ne suivent pas le rythme, car elles ne peuvent tout simplement pas déplacer les électrons suffisamment vite. La seule façon de garder le rythme est de ralentir la production de données. Et c'est là où la lumière fait son apparition: on peut utiliser les lasers pour envoyer des photons le long de «câbles» en silicium (la lumière à des longueurs d'ondes en infrarouge se déplace extrêmement bien dans le silicium) au lieu des électrons. Mais la vitesse de la lumière n'est pas responsable de meilleures interconnexions optiques. la véritable difficulté est que la lumière peut être condensée par 'multiplexage'»; en fait, on peut envoyer des photons de différentes longueurs d'ondes par le biais de votre interconnexion en même temps. Si l'on utilise trois longueurs d'ondes, on triple effectivement la vitesse de transmission de données. Diviser pour mieux régner Dans cette optique, le projet Wadimos («Wavelength division multiplexed photonic layer on CMOS») a donc tenté de développer une puce de démonstration comportant des interconnexions optiques de multiplexage. La puce repose sur la technologie développée dans un projet précédent (PICMOS) qui a créé la toute première puce dotée de sources de lumière microlaser intégrée grâce à une «colle» unique développée par les partenaires de PICMOS. «Le projet PICMOS était un grand succès. Nous avons montré que les interconnexions pouvaient être fabriquées et qu'elles pouvaient fonctionner», explique M. Van Thourhout. «Mais n'oublions pas que cette démonstration a eu lieu en laboratoire. On ne trouvera pas de puces semblables dans la vie réelle et on ne résoudra pas le goulet d'étranglement de l'interconnectivité sans les fabriquer par millions à l'échelle industrielle. PICMOS a démontré le principe des interconnexions optiques. Wadimos prouve que le multiplexage est possible et que les puces peuvent être fabriquée dans une usine de fabrication CMOS traditionnelle.» STMicroelectronics, le plus grand fabricant de puces en Europe, a collaboré avec des universités et instituts de recherche de France et d'Italie ainsi qu'avec une PME néerlandaise spécialisée dans la lithographie (gravure) pour composants électroniques. Ces partenaires ont pu développer les résultats de PICMOS et les ont adaptés à des procédés de fabrication plus commerciaux. L'une des plus grandes difficultés était de remplacer les connexions en or sur les microlasers dans le prototype PICMOS. «On ne peut pas avoir d'or dans une usine de fabrication», explique M. Van Thourhout. «L'or est un polluant, aussi le laboratoire partenaire CEA-Leti a-t-il développé un processus permettant de connecter des lasers intégrés fixés sur les puces à l'aide de métaux communément utilisés tels que l'aluminium, le titane et le nitrure de titanium.» Le partenaire du projet imec a également travaillé sur l'optimisation des structures passives des routeurs en silicium et a étudié la faisabilité de leur production à l'échelle industrielle. Les autres partenaires du projet ont apporté leur expertise: l'Institut de nanotechnologie de Lyon (INL) en France a présenté un nouveau type de «microsource» où l'on peut contrôler la longueur d'ondes de sortie. L'INL a aussi collaboré avec STMicroelectronics pour développer une façon de simuler le réseau optique sur une puce. Enfin, l'université de Trente, en Italie, a conçu et présenté un nouveau type de silicium qui pourrait être utilisé afin d'«aiguiller» les photons vers des voies optiques particulières. En rassemblant tous ces développements, l'équipe de Wadimos a développé un réseau de huit blocs de silicium totalement interconnectés. Les chercheurs ont présenté le multiplexage entre ces connexions et la faisabilité d'un filtrage optique afin de diriger et de contrôler le passage des photons par le biais des interconnexions en silicium et leur détection ultérieure. Il reste cependant encore beaucoup de recherches à faire, notamment pour conserver la fonctionnalité des lasers dans un environnement haute température sur la surface des puces. M. Van Thourhout explique qu'il faudra trouver de nouveaux matériaux pouvant supporter cette chaleur. «Nous sommes cependant confiants que cette approche sera un grand succès sur le long terme», affirme-t-il. «Nous adoptons une approche exploratoire.» Il explique que d'autres groupes de recherche, notamment aux États-Unis, ont développé des interconnexions optiques utilisant une source laser «hors puce»; le faisceau laser est divisé et redirigé pour chaque interconnexion. «Ces puces sont plus performantes et on les utilisera bientôt dans les superordinateurs», explique M. Van Thourhout; «elles pourraient un jour être utilisées dans l'informatique courante, mais sur le long terme il sera plus intéressant d'avoir des puces dotés de sources laser intégrées.» «Nous espérons que les interconnexions du projet Wadimos permettront de poursuivre l'augmentation de la puissance de traitement informatique et de surmonter le problème de transmission des données. Notre objectif est de faire des interconnexions optiques une technologie standard qui supportera le développement de microprocesseurs encore plus petits et puissants capables de transférer des données à une vitesse de 100 térabits par seconde.» Le projet Wadimos a reçu un financement de la recherche de 2,3 millions d'euros (sur un total de 3,2 millions d'euros) au titre du programme de TIC «Next-generation nanoelectronics components and electronics integration» du septième programme-cadre (7e PC) de l'UE. Liens utiles: - site web «Wavelength Division Multiplexed Photonic Layer on CMOS» - Fiche d'information du projet WADIMOS sur CORDIS - site web «Photonic Interconnect Layer on CMOS by Waferscale Integration» - Fiche d'information de PICMOS sur CORDIS Articles connexes: - Copper's not coping: new chips call on light speed