Dans l’univers, il n’y a rien de plus rapide que la lumière, donc la meilleure façon de transmettre des données est à travers la lumière. Pourquoi n’utilisons-nous pas de photons pour fabriquer des processeurs? Eh bien, parce qu’il est plus cher à fabriquer et qu’ils ne sont pas dimensionnés comme le silicium. Cependant, il y a la photonique intégrée dans le silicium qui unit les deux mondes. Avec quelles applications?
Qu’est-ce que la photonique dans le matériel?
La photonique dans le matériel n’est rien de plus que l’utilisation de photons qui composent la lumière pour la transmission d’informations. Au sein de la photonique, il y a la photonique sur silicium, qui est basée sur l’utilisation du silicium pour la transmission de signaux optiques, ce qui permet sa mise en œuvre dans des circuits intégrés.
Son utilisation n’est pas de créer des processeurs plus puissants, mais pour la communication entre différentes puces et donc dans les interfaces externes entre processeurs, mémoires et périphériques. L’objectif est de réduire l’écart de bande passante, la vitesse à laquelle les données sont transmises, entre le processeur et la mémoire.
Il faut garder à l’esprit que la valeur dominante lors de la transmission de données est l’énergie qu’ils consomment. L’idée même d’utiliser la photonique sur silicium est d’avoir également une interface qui transmet des données à moindre coût.
Interfaces de mémoire basées sur la lumière
Au fil du temps, de nouveaux types de mémoire sont conçus pour transmettre et recevoir des données à moindre coût énergétique. Si nous utilisons les données, nous verrons comment les types de mémoire les plus efficaces ont nécessité de nouvelles techniques d’empaquetage. Comme c’est le cas avec la mémoire HBM.
Il ne fait aucun doute que les besoins en bande passante continuent de croître, en particulier à l’ère du Big Data où les informations qui circulent sont énormes. Cela signifie que nous avons besoin de bandes passantes plus économes en énergie. Par exemple, dans le monde des appareils PostPC, nous verrons bientôt des interfaces de type HBM, par contre, à l’autre extrême, dans le monde des supercalculateurs, la photonique sur silicium est déjà considérée non comme une chose du futur, mais de la cadeau.
Au niveau de la communication interne sur puce, il n’offre aucun avantage en termes de consommation pour la transmission de données. C’est lorsque l’on éloigne une interface de communication d’une autre que l’on voit que l’efficacité de l’utilisation d’interfaces basées sur la photonique commence à prendre sens en raison de la moindre consommation de bande passante, permettant le transfert de données pour <1 crête Joule par bit transmis .
En revanche, la bande passante se dégrade dans une interface conventionnelle car il y a plus de distance du processeur. Cela signifie que les mémoires au-delà de la RAM dans la hiérarchie mémoire bénéficient également de ce type d’interface. Imaginez, par exemple, un SSD avec une vitesse de lecture typique d’une RAM DDR4.
Il n’y a pas de loi de Moore pour les broches d’E / S
On nous explique constamment comment la loi de Moore permet de fabriquer des puces plus petites. Eh bien, c’est vrai, sauf que les broches de communication externes ne sont pas réduites. En d’autres termes, les interfaces externes occupent toujours la même chose, affectant ainsi la taille d’une puce si vous souhaitez une bande passante spécifique ou forçant l’utilisation de systèmes de packaging plus complexes permettant un plus grand nombre de broches.
Le concept est facile à comprendre, la consommation d’énergie augmente de façon exponentielle si la vitesse d’horloge est élevée, une vitesse d’horloge élevée signifie une tension élevée et la croissance de la consommation d’énergie est élevée. Le seul moyen est d’augmenter le nombre de broches, mais cela oblige les constructions complexes à se construire en masse, telles que les circuits intégrés 2.5D et 3D.
C’est là qu’intervient la photonique, comme solution au problème des interfaces mémoire et de leur mise à l’échelle afin d’obtenir des bandes passantes plus élevées sans augmenter la consommation moyenne en transfert de données.
Où la photonique est-elle utilisée aujourd’hui?
Aujourd’hui, la photonique sur silicium est utilisée dans les centres de données pour connecter des systèmes largement séparés.
Grâce à des émetteurs-récepteurs optiques dans chaque système, qui peuvent transmettre et recevoir des signaux. Leur fonction est simple, ils convertissent les signaux électriques en signaux optiques qui transitent par les câbles à fibres optiques qui relient les différentes armoires qui composent le centre de données. Lorsque l’émetteur-récepteur reçoit les données, il les convertit en un signal électrique que les processeurs et les mémoires conventionnels peuvent traiter et stocker respectivement.
De tels émetteurs-récepteurs optiques ont la capacité de transmettre et de recevoir un grand volume de données. Son principal problème? Ils sont coûteux à fabriquer et encore plus à une échelle commerciale. C’est pourquoi nous les avons aujourd’hui dans les supercalculateurs et non dans les PC de nos maisons.
Un autre marché où la photonique au silicium est utilisée est l’imagerie médicale pour le diagnostic. En fait, la lumière est utilisée dans le diagnostic médical. Surtout dans les microscopes et les spectroscopes. Grâce à l’utilisation de la lumière, les cellules peuvent être comptées et visualisées, une séquence d’ADN déterminée. Par conséquent, la photonique intégrée dans le silicium permet de créer des circuits intégrés conçus pour le diagnostic médical qui ont en même temps la capacité de traiter ces données à grande vitesse.
Avec la photonique intégrée au silicium, un médecin ordinaire pourra étudier un tissu, un échantillon de sang, etc. Sans avoir à opter pour des laboratoires avec des équipements coûteux. Depuis cette technologie permettra la création de microscopes intelligents dans les années suivantes, avec un processeur intégré capable d’obtenir des informations à partir des images, de les traiter et de les envoyer à un PC via une interface USB si nécessaire.
Allons-nous le voir sur le PC?
L’intégration d’un émetteur-récepteur optique en remplacement de l’interface mémoire présente des avantages en termes de consommation et de bande passante. Le désavantage? Nous le trouvons dans le coût lors de leur implémentation dans un processeur.
Là où nous allons voir, c’est dans les concentrateurs chargés de recevoir et de distribuer plusieurs signaux à large bande passante en même temps. Ces concentrateurs sont dans la partie centrale d’un système basé sur des puces où la distance entre les puces est la plus grande. Avec l’utilisation d’interfaces optiques, il est possible de résoudre le problème de la consommation dans les interfaces et de la dégradation de la bande passante due à la distance.
Ceci est particulièrement important dans les systèmes qui nécessitent plusieurs GPU pour communiquer à grande échelle. Même si pour le moment nous verrons d’abord le passage aux interfaces verticales de type 2.5DIC et 3DIC comme solutions avant l’arrivée de la photonique à grande échelle.