Composants photoniques : Intel a réussi à les intégrer aux serveurs

Les modulateurs optiques/électroniques d’Intel prennent la forme d’une microfibre enroulée autour d’un récepteur lui-même gravé sur du silicium classique. L’enjeu est d’éliminer les connexions cuivre.

Intel vient de franchir un nouveau pas dans les composants photoniques, à savoir des circuits dans lesquels les électrons sont remplacés par des photons. Lors de l’événement – virtuel – Intel Labs Day que le fondeur a organisé en ce début décembre, ses ingénieurs ont levé le voile sur quatre avancées technologiques majeures, sans pour autant annoncer de date de mise sur le marché.

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L’enjeu de ces avancées serait de remplacer le plus possible les connexions cuivre des machines par des connexions optiques, ce qui permettrait de construire des réseaux et des serveurs qui supportent de meilleures bandes passantes, sur de plus grandes distances, en consommant moins d’énergie. Si les connexions optiques sont déjà largement répandues, elles supposent néanmoins de nos jours d’imposants transceivers (émetteurs-récepteurs) pour convertir leurs signaux lumineux en courant utilisable par l’électronique. L’objectif d’Intel est d’éliminer ces transceivers qui consomment beaucoup d’électricité et sont si encombrants qu’ils limitent l’intégration des designs.

Des connexions optiques pour tous les composants d’un serveur

La première des avancées d’Intel est la miniaturisation par mille des modulateurs qui transforment les signaux lumineux, issus des fibres optiques, en signaux électriques utilisables par les cartes de communication. En l’occurrence, ce modulateur, appelé « micro-ring », prend la forme d’une microfibre optique enroulée sur elle-même et qui résonne avec un photorécepteur magnétique, lequel produit les électrons correspondants aux bits du signal.

La taille extrêmement petite de ce dispositif – Intel n’a pas donné de dimensions précises – permet d’éviter les volumineux embouts sur lesquels se branchent habituellement les fibres optiques, les transceivers. Au point qu’il devient possible d’imaginer des connectiques optiques entre les différents éléments électroniques d’un serveur. Il serait ainsi envisageable de mettre au point des designs plus optimaux pour les machines, où les extensions PCIe et les disques NVMe seraient reliées par des fibres au bus processeur, plutôt que par des cartes électroniques qui imposent de tout réunir dans le même boîtier. Intel avait parlé de telles fibres pour cartes PCIe dès 2016 et il leur avait même donné un nom : les câbles O-PCI.

L’avantage des fibres optiques est qu’elles supportent de transporter les signaux à pleine vitesse sur des distances assez longues. Les fils de cuivre n’y parvenant pas, du fait de leur résistance électrique, il avait été exclu jusqu’à présent d’accrocher des extensions PCIe sur une nappe.  

L’autre avantage est de démultiplier la bande passante optique sur un switch réseau de taille réduite. En avril dernier, Intel avait déjà parlé d’un switch équipé d’un nouveau genre de transceivers qui permettrait d’offrir 12,8 Tbit/s de bande passante avec seulement huit fibres optiques, alors qu’un switch traditionnel nécessiterait 32 transceivers 400 Gbit/s de prochaine génération ou 128 transceivers 100 Gbit/s de génération actuelle. En optique, la bande passante n’est pas limitée par la fibre, mais par le modulateur qui l’interface avec l’électronique.

Des modulateurs optiques conçus comme les puces, sur du silicium

La seconde innovation est la mise au point des photorécepteurs à partir du même silicium que celui utilisé pour les circuits électroniques. Selon Intel, de tels récepteurs en silicium seraient capables de produire du courant électrique à partir de signaux optiques dont la longueur d’onde est comprise entre 1,3 et 1,6 micromètre (µm). S’il n’est pas encore question de mettre ces capteurs sur le même « die » que celui sur lequel sont gravés les circuits d’un processeur, cette innovation rend néanmoins possible la fabrication des processeurs et des modulateurs optiques sur les mêmes chaînes industrielles, et donc de faire chuter les coûts.

Évidemment, il faut que cela fonctionne aussi dans l’autre sens : convertir les signaux électriques du serveur en signaux optiques transportables par la fibre. Pour ce faire, Intel a mis au point des amplificateurs optiques, toujours à partir de silicium, et donc intégrables sur les mêmes chips de modulation que les photorécepteurs. L’avantage de ces amplificateurs – et c’est pourquoi Intel parle d’une troisième innovation – est qu’ils consomment beaucoup moins d’électricité que les composants de modulation ordinaires.

La quatrième innovation, enfin, est la faculté d’encoder le signal lumineux sur plusieurs longueurs d’onde à la fois, de sorte à multiplier les flux et, par conséquent, la bande passante. C’est ce qui explique notamment qu’Intel parvient à faire transiter sur une seule fibre optique 1,6 Tbit/s alors que la prochaine génération de transceiver sera, malgré sa taille imposante, limitée à 400 Gbit/s.

Les composants photoniques d’Intel permettront plus de bande passante pour moins de place occupée et moins d’électricité consommée.

Au final, les composants photoniques d’Intel permettront plus de bande passante pour moins de place occupée et moins d’électricité consommée. Reste à savoir quand et sous quelle forme : à l’heure actuelle, on ignore si Intel compte bientôt produire des cartes mères avec 100 % de connexions photoniques ou s’il s’agira plus modestement de tester la technologie pendant quelques années dans le seul domaine des câbles réseau. En novembre de l’année dernière, Intel s’est réuni avec Sony et NTT au sein d’un consortium, l’IOWN, dédié aux connexions photoniques, mais uniquement pour le réseau.

Déjà des concurrents

Intel n’est pas le seul à s’intéresser aux composants photoniques. Un jour avant les Intel Labs, une startup elle aussi basée à Santa Clara, Ayar Labs, révélait avoir réussi à faire fabriquer ses propres modulateurs photoniques sur les usines du fondeur GlobalFoundries. Son modulateur prend en l’occurrence la forme d’une puce – un « chiplet » – contenant les mêmes « micro-rings » qu’Intel, installés eux aussi sur des photorécepteurs en silicium. La finesse de gravure de ce chiplet est de 45 nm.

Avaya Labs ne parle pas d’usage réseau dans son communiqué : son ambition est véritablement de permettre des connexions optiques entre les composants d’un serveur, voire au niveau du bus processeur pour interconnecter les cœurs de calcul de plusieurs serveurs dans des configurations de supercalcul.

Parmi les autres acteurs impliqués dans la photonique, citons IBM – qui doit faire des annonces à ce sujet d’ici à la fin de cette année – et l’institut allemand Fraunhofer qui planche sur un projet appelé EOCB (Electro-Optical Circuit Board) et dont le but est le remplacement de toutes les connectiques cuivre d’un serveur par de la fibre optique. EOCB est un sous-ensemble du projet européen PhoxTrot, lui-même faisant partie des différents projets de l’UE visant à développer des supercalculateurs souverains.

Intel planche sur ses puces photoniques depuis le début des années 2000. On lui doit d’avoir démocratisé les transceivers dans la connectique réseau, avec la mise au point de modulateurs 40 Gbit/s dès 2007. Paradoxalement, ces travaux ont surtout découlé sur ThunderBolt, un connecteur – aujourd’hui au format USB-C – qui transcodait de manière universelle tous les types de flux vidéo, série, etc. en un signal optique, mais qui, en définitive, a utilisé des câbles en cuivre plutôt que des fibres.

En l’occurrence, Intel s’est heurté à une réalité du marché : les utilisateurs trouvaient bien plus prioritaire d’avoir un connecteur qui alimente aussi leurs périphériques en électricité que le fait de transporter 100 Gbit/s vers des disques durs externes qui ne savaient pas communiquer à cette vitesse.   

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