Photonique au silicium : La prochaine révolution pour les datacenters 400G

Qu'est-ce que la technologie photonique au silicium ?

La photonique au silicium (SiPh) est une plateforme matérielle à partir de laquelle il est possible de fabriquer des circuits intégrés photoniques (PIC). Elle utilise le silicium comme principal élément de fabrication.

NOTE :

Les PIC consomment moins d'énergie et génèrent moins de chaleur que les circuits électroniques classiques, ce qui permet une augmentation de la bande passante à faible consommation d'énergie.

La photonique au silicium est une technologie révolutionnaire qui permet d'améliorer considérablement les performances, la densité et la rentabilité pour permettre le passage au 400G partout dans le monde et faire des réseaux de communications optiques de prochaine génération une réalité.

Pourquoi intégrer la photonique au silicium dans les centres de données ?

Résoudre les goulets d'étranglement d'E/S

La demande croissante de données dans le monde a entraîné l'épuisement des bandes passantes et des ressources en puissance de calcul dans les centres de données. Les puces doivent être plus rapides pour faire face à la demande croissante de consommation de données, qui peuvent traiter les informations plus rapidement que le signal ne peut être transmis en entrée et en sortie. En d'autres termes, les puces deviennent plus rapides, mais le signal optique (provenant de la fibre) doit encore être converti en un signal électronique pour communiquer avec la puce située sur une carte au fond du centre de données. Et comme le signal électrique doit encore parcourir une certaine distance entre l'émetteur-récepteur optique, où il a été converti à partir de la lumière, et l'électronique de traitement et d'acheminement, nous avons atteint un point où la puce peut traiter les informations plus rapidement que le signal électrique puisse y entrer et en sortir.

Réduire la consommation d'énergie

Le chauffage et la dissipation d'énergie sont pour l'industrie informatique des énormes défis. La consommation d'énergie se traduit directement en chaleur. La consommation d'énergie provoque de la chaleur, alors qu'est-ce qui provoque la dissipation d'énergie ? Principalement, les transmissions de données. On estime que les centres de données consomment 200 TWh par an, soit plus que la consommation nationale d'énergie de certains pays. Ainsi, certains des plus grands centres de données du monde, notamment ceux d'Amazon, de Google et de Microsoft, sont situés en Alaska et dans des pays au climat similaire, en raison des températures froides.

Économiser le budget opérationnel

À l'heure actuelle, un centre de données ultra-large typique compte plus de 100 000 serveurs et plus de 50 000 commutateurs. La connexion entre eux nécessite plus d'un million de modules optiques pour un montant d'environ 150 à 250 millions de dollars US, ce qui représente 60% du coût du réseau du centre de données, dépassant la somme des équipements tels que les commutateurs, les NIC et les câbles. Ce coût élevé oblige l'industrie à réduire le prix unitaire des modules optiques par des mises à niveau technologiques. L'introduction de modules à fibre optique adoptant la technologie de la photonique au silicium est censée résoudre ce problème.

Photonique Si : Signaux plus rapides et consommation réduite

Voici un tableau comparatif des technologies entre l'optique conventionnelle et l'optique photonique au silicium :

	QDD-DR4-400G	QDD-DR4-400G-Si
Material	Matériel coûteux - rare Rendement moyen : Par exemple, matériau issu de l'épitaxie Empreinte réduite : Contraste d'indice élevé en 1D Laser natif Oxyde natif faible Courant d'obscurité faible Petites plaquettes (75 mm typ.)	Matériau peu coûteux - 27% de la masse de la croûte terrestre est constituée de Si Rendement élevé : Par exemple, matériau issu du bloc de roches cristallines Empreinte très réduite : Contraste d'indice élevé en 2D Aucun laser natif Oxyde natif excellent Courant d'obscurité modéré Plaquettes basses (300 mm typ.)
Type de transmetteur	TX: 1310nm EML; RX: PIN	TX:DFB RX:PIN
Principe de fonctionnement
Technologie de packaging	COB	COB+3D Packaging
Puce DSP	Inphi 16nm DSP	Broadcom 7nm DSP
Consommation d'énergie	＜12W	＜10W
Application	Ethernet 400G, centre de données

La différence entre un module émetteur-récepteur optique QSFP-DD PAM4 400GBASE-DR4 et un module photonique au silicium réside simplement dans le fait qu'il s'agit d'une puce photonique au silicium : Les puces photoniques au silicium 400G - qui éliminent les goulots d'étranglements des échanges de données à grande échelle, présentent de grands avantages en termes de faible consommation d'énergie, de faible encombrement, de coût relativement bas, de facilité d'intégration à grande échelle, etc.

Les circuits intégrés photoniques au silicium constituent une solution idéale pour réaliser l'intégration des puces photoniques et électroniques. Adoptant une conception photonique au silicium, le module QDD-DR4-400G-Si combine haute densité et faible consommation, ce qui permet de réduire considérablement le coût des modules optiques, et donc les coûts de fabrication et d'exploitation des centres de données

Applications de la photonique au silicium dans la télécommunication

La photonique au silicium s'est avérée être une solution convaincante pour permettre les connexions des centres de données et les communications optiques cohérentes de la prochaine génération. Cette technologie peut prendre en charge un large éventail d'applications, depuis les interconnexions à courte portée jusqu'aux transmissions à longue portée, apportant ainsi une contribution importante aux réseaux de prochaine génération.

• 100G/400G Datacom : centres de données et applications de campus (jusqu'à 10 km)

• Télécommunications : applications métropolitaines et longue distance (jusqu'à 100 et 400 km)

• Interconnexions et commutateurs optiques à très courte portée pour routeurs, ordinateurs, systèmes de calcul intensif (HPC)

• Éléments optiques passifs fonctionnels, notamment les AWG, filtres optiques, coupleurs et séparateurs.

• Produits émetteurs-récepteurs, y compris modules optiques intégrés, émetteurs-récepteurs et câbles optiques actifs (AOC).

Présent et futur de la photonique au silicium

Yole prévoit que le marché des modules optiques en silicium passera d'environ 455 millions de dollars US en 2018 à environ 4 milliards de dollars US en 2024, à un TCAC de 44,5%. Selon Lightcounting, le marché global des modules optiques à haut débit pour la communication de données atteindra 6,5 milliards de dollars US en 2024, et les modules optiques en silicium représenteront 60% (3,3 % en 20 ans).

Intel, l'une des principales entreprises de photonique au silicium, détient une part de marché de 60% dans le domaine des émetteurs-récepteurs photoniques au silicium pour les communications de données. Intel a déjà expédié plus de 3 millions d'unités d’émetteurs-récepteurs 100G enfichables en quelques années seulement, et continue d'élargir son offre de produits Silicon Photonics. Et Cisco a acquis Accacia pour 2,6 milliards de dollars US et Luxtera pour 660 millions de dollars US. D'autres entreprises comme Inphi et NeoPhotonics proposent des émetteurs-récepteurs photoniques au silicium avec des technologies performantes.

Image Source : Yole Développement published on eetasia

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