Intelligence artificielle : tendances technologiques en matière de calcul haute performance et de modules optiques à haut débit

L'intelligence artificielle exige une puissance de calcul exceptionnelle. Dans les systèmes de calcul haute performance, on observe une nette divergence d'approche : les systèmes scale-up s'appuient sur des modules de câbles en cuivre, tandis que les systèmes scale-out dépendent de plus en plus de modules optiques. Cette année, des analyses détaillées ont été menées sur les modules de câbles en cuivre utilisés pour les applications scale-up. En revanche, les modules optiques dominent les architectures scale-out. Les modules optiques traditionnels enfichables à chaud évoluent d'une configuration monovoie fonctionnant à 224 Gbit/s PAM4 vers des systèmes prenant en charge des débits de 800 G et 1.6 T.

Parallèlement, l'optique co-packagée (CPO) s'impose comme une avancée majeure. Dans toutes ces configurations – modules câblés, modules optiques traditionnels enfichables à chaud et CPO – le défi consiste à passer du traitement du signal PAM112 à 4 Gbit/s à un traitement optimisé à plus haut débit à 224 Gbit/s. Les principaux acteurs du secteur étudient activement diverses technologies de puces optoélectroniques et de packaging visant à atteindre des performances PAM4 à 448 Gbit/s.

D’ici 2025, les premières indications suggèrent que les modules optiques de 1.6 T commenceront à être déployés commercialement, marquant la transition de ces technologies de la recherche en laboratoire à l’application industrielle.

Il est important de noter qu'un signal de données PAM200 pur de 4 Gbit/s, après codage, devient soit du PAM212 de 4 Gbit/s, soit du PAM224 de 4 Gbit/s. Bien que les désignations PAM200 de 4 Gbit/s, PAM212 de 4 Gbit/s et PAM224 de 4 Gbit/s puissent paraître distinctes dans certains contextes, elles désignent essentiellement le même niveau de performance sous-jacent.

Dans l'industrie, les systèmes multimodes utilisent généralement des lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), tandis que les configurations monomodes reposent sur des lasers à modulation d'électroabsorption (EML) ou sur la photonique silicium. Il existe une relation de conversion intrinsèque entre la bande passante du signal, le débit binaire et le débit en bauds. Il est à noter que l'extension de bande passante réalisable par les VCSEL est légèrement inférieure à celle des EML ou de la photonique silicium. Actuellement, le secteur des VCSEL multimodes déploie des solutions PAM100 à 4 Gbit/s et étudie activement la PAM200 à 4 Gbit/s. Les EML et la photonique silicium sont déjà déployés à des niveaux PAM200 à 4 Gbit/s et des études sont en cours pour étendre les capacités à 400 Gbit/s.

Des entreprises telles que Lumentum, Broadcom, Mitsubishi et Huawei HiSilicon poursuivent le développement de la technologie EML 224 Gbps ainsi que des puces optoélectroniques capables de prendre en charge des vitesses dépassant 300 G et même 400 Gbps.

Le schéma ci-joint illustre que la bande passante EML de HiSilicon a atteint 110 GHz cette année, permettant la prise en charge de débits de modulation supérieurs à 400 Gbit/s (PAM4). Avec l'adoption de schémas de modulation d'ordre supérieur, tels que PAM6 et PAM8, des débits supérieurs à 500 Gbit/s deviennent possibles.

L'emballage EML est étroitement lié à sa bande passante opérationnelle globale, ce qui incite à des recherches expérimentales approfondies sur diverses méthodologies d'emballage.

La photonique sur silicium est devenue une option technologique privilégiée non seulement en raison de son niveau élevé d'intégration, mais aussi parce qu'elle offre une bande passante d'emballage substantielle, illustrée par l'emballage 3D de la photonique sur silicium de TSMC.

Bien que les modules photoniques en silicium soient appliqués à la fois dans les modules optiques enfichables à chaud et dans les systèmes CPO, et fonctionnent actuellement à un taux de modulation PAM224 de 4 Gbit/s, ils sont quelque peu limités par rapport aux performances de bande passante offertes par EML.

De plus, si la photonique sur silicium est prometteuse, sa bande passante est légèrement inférieure à celle de l'EML. Face à ce problème, les chercheurs explorent le niobate de lithium en couches minces (TFLN), qui offre une bande passante optique nettement supérieure. L'objectif de l'étude est de déterminer si, au sein d'une plateforme intégrée, il est possible d'exploiter simultanément la bande passante importante offerte par les procédés de packaging de la photonique sur silicium et d'améliorer d'autant la bande passante du modulateur.

Certains fabricants étudient des conceptions de modulateurs au niobate de lithium capables d’atteindre des bandes passantes de 100 GHz ou plus.

Le traitement des signaux PAM224 à 4 Gbit/s présente des défis considérables. La puce optique et le traitement du signal électrique du circuit imprimé doivent faire face à de nombreux problèmes : paramètres parasites associés aux vias, disposition et contrôle du chemin de retour des signaux différentiels, équilibrage des composants en modes impair et pair, effets de la fibre de verre et biais du signal différentiel. Ces facteurs contribuent au bruit, à la perte de signal et à l'auto-résonance dans les circuits imprimés. De plus, les modules optiques enfichables à chaud sont soumis à des contraintes supplémentaires liées aux limitations des points de contact des connecteurs par rapport à la fréquence.

Les défis sont aggravés à des vitesses plus élevées, comme dans 800 g et des modules optiques de 1.6 T, où le traitement du signal devient extrêmement exigeant. La modulation PAM4 est intrinsèquement sensible au bruit, et le processus d'encodage contribue à une dégradation d'environ 4.8 dB du rapport signal sur bruit (SNR).

À mesure que la fréquence augmente, une dégradation supplémentaire du rapport signal/bruit est observée.

Une approche pour atténuer ces problèmes consiste à augmenter l’amplitude du signal au niveau de la puce, par exemple en utilisant des conceptions EML différentielles, qui améliorent efficacement le « numérateur » (niveau du signal) dans l’équation SNR.

À l’inverse, les efforts doivent se concentrer sur la réduction du bruit, minimisant ainsi le « dénominateur » du SNR. 

Outre les optimisations au niveau de la puce, des algorithmes de traitement numérique du signal (DSP) sont utilisés pour optimiser ou compenser le rapport signal/bruit (SNR). Cependant, ces techniques entraînent généralement une augmentation significative de la consommation énergétique. Les modules optiques étant eux-mêmes très gourmands en énergie, une gestion thermique efficace est essentielle. Les solutions de refroidissement liquide offrent une meilleure dissipation thermique, particulièrement avantageuse pour les applications d'IA.

Au-delà des modules optiques traditionnels enfichables à chaud, des approches alternatives, telles que les méthodes Laser Package Optics (LPO) qui éliminent le besoin de DSP et les conceptions CPO à faible consommation, ont gagné en importance, le CPO devenant un point chaud de l'industrie cette année.

Les solutions CPO sont disponibles en formats monomodes et multimodes ; le CPO multimode utilise généralement le VCSEL comme source lumineuse, tandis que le CPO monomode est orienté vers la photonique silicium. La technologie d'intégration de la photonique silicium offre d'importantes opportunités de marché, tant pour les modules enfichables à chaud que pour les moteurs optiques CPO. De nombreux fabricants ont lancé leurs propres plateformes photoniques silicium, proposant une gamme de couches supérieures de silicium dans des dimensions telles que 160 nm, 220 nm, 270 nm, 300 nm et 400 nm. De plus, diverses formes de couches de nitrure de silicium, monocouches ou multicouches, sont utilisées. Il existe également des plateformes diversifiées intégrant des technologies telles que l'InP sur silicium, le GaAs sur silicium, le TFLN (niobate de lithium) sur silicium et le BTO (titanate de baryum) sur silicium.

Outre les procédés photoniques au niveau des plaquettes de silicium, il existe un large éventail de conceptions de couplage optique et de technologies de conditionnement.

Le packaging des EML peut être réalisé à partir de substrats en silicium, en céramique ou en verre, tandis que les VCSEL peuvent utiliser des substrats en résine, en céramique ou en verre. De même, le packaging des puces intégrées au niveau de la tranche peut être réalisé avec des substrats en silicium localisés dans la résine, des substrats entièrement en silicium ou des substrats en verre. L'objectif est d'obtenir des bandes passantes radiofréquences plus élevées grâce à des diamètres de vias et des largeurs de lignes réduits, un objectif qui engendre intrinsèquement des défis plus complexes et plus fiables dans le processus de fabrication.