Apporter de la lumière aux ordinateurs

Des chercheurs d'IBM ont récemment annoncé un commutateur en silicium à l'échelle nanométrique qui peut diriger des milliards de bits de données par seconde au sein d'un réseau optique. Le commutateur pourrait permettre d'intégrer la vitesse et la bande passante d'un réseau de télécommunications dans un ordinateur personnel, selon les chercheurs. Il s'agit d'un objectif de plus en plus important pour les ingénieurs alors qu'ils recherchent la meilleure conception pour les futures machines multicœurs, des ordinateurs dotés de plusieurs centres de traitement.

Diriger le trafic : IBM a développé des commutateurs au silicium qui peuvent être utilisés pour contrôler le flux de données dans les réseaux optiques sur puce. Chacun des huit commutateurs ci-dessus est constitué de cinq résonateurs en forme d'anneau. L'image a été prise avec un microscope optique.

L'avancée donne aux chercheurs plus de contrôle sur l'endroit où les bits sont dirigés dans un réseau optique plus petit qu'un ongle. Nous parlons de router un térabit par seconde via un seul commutateur, explique William Green, un chercheur d'IBM qui a travaillé sur le projet. De telles performances sont comparables à celles obtenues par de très grands racks d'équipements montés pour la fibre optique de télécommunications.

Les ordinateurs haut de gamme d'aujourd'hui sont dotés de deux ou quatre cœurs de traitement généraux, mais au cours de la prochaine décennie, les ingénieurs s'attendent à construire des ordinateurs avec des dizaines de cœurs. L'un des principaux problèmes liés à la fabrication d'une machine à plusieurs cœurs est qu'il n'est pas clair comment permettre à tous les cœurs de communiquer efficacement entre eux et avec d'autres composants de l'ordinateur qui se trouvent hors de la puce, tels que la mémoire. Actuellement, toutes ces communications sont effectuées sur des fils métalliques gravés dans des puces et des circuits imprimés. Mais les fils ont une résistance intrinsèque, ce qui limite la vitesse des données. De plus, les électrons qui circulent peuvent produire des interférences électriques et de la chaleur qui peuvent provoquer des erreurs de calcul.

Les dispositifs optiques et les guides d'ondes intégrés dans le même silicium que celui utilisé pour fabriquer des puces sont des alternatives prometteuses aux composants électroniques et aux fils métalliques. Au cours des dernières années, il y a eu un flot d'activités dans ce domaine, connu sous le nom de photonique sur silicium, d'IBM, d'Intel, de Sun Microsystems, de Hewlett Packard, du MIT, de l'Université de Columbia et de l'Université de Californie du Sud, pour n'en nommer que quelques-uns. Les chercheurs n'ont cessé de créer des dispositifs à base de silicium de plus en plus efficaces, tels que des lasers, des modulateurs qui codent les données sur la lumière, des détecteurs et des filtres qui nettoient les signaux lorsqu'ils traversent un réseau. En fait, Sun Microsystems a récemment remporté un contrat de 44 millions de dollars du Pentagone américain pour étudier des approches pour remplacer les fils métalliques par des faisceaux lumineux.

Bien que de nombreux éléments soient nécessaires pour les réseaux optiques intra-ordinateurs, l'annonce du commutateur d'IBM est une étape importante vers la mise en œuvre d'un tel système. Il y a eu beaucoup de progrès dans la photonique sur silicium, dit Cool Bergman , professeur de génie électrique à l'Université de Columbia, mais le commutateur d'IBM est très important pour pouvoir créer des réseaux optiques sur puces. Étant donné que l'appareil achemine un certain nombre de longueurs d'onde de lumière différentes vers diverses parties d'une puce ou du système, les ingénieurs n'ont pas besoin de construire des guides d'ondes point à point vers chaque destination d'un système. Cela vous permet de générer et d'acheminer des photons vers plusieurs destinations de manière plus efficace, explique Bergman.

Le commutateur d'IBM, qui est décrit dans un article récent dans Photonique de la nature , est constitué d'anneaux résonants connectés gravés dans du silicium. Les anneaux ne mesurent que 200 nanomètres de haut, bien plus petits que les dimensions des fibres optiques qui transportent normalement la lumière. Lorsque l'interrupteur est activé, les électrons sont envoyés vers un anneau spécifique. Ces électrons modifient la façon dont l'anneau résonne, ce qui empêche efficacement la lumière de passer. La lumière rebondit sur le résonateur et est réfléchie dans une autre direction.

Le design est unique pour un certain nombre de raisons, explique Green. Premièrement, le commutateur ne filtre pas la lumière en fonction de sa longueur d'onde, contrairement aux commutateurs utilisés dans les réseaux de télécommunications qui doivent acheminer des types de lumière spécifiques vers des destinations spécifiques. Et plus il y a de longueurs d'onde de lumière qui traversent un réseau sur puce, plus la bande passante disponible est importante.

Une deuxième caractéristique distinctive, note Green, est que le commutateur d'IBM est capable de supporter une variation d'environ 30 °C, ce qui est crucial pour garantir la fiabilité du réseau. Dans n'importe quel microprocesseur, dit Green, les points chauds se déplacent à la surface de la puce en fonction du calcul des nombres. Si ces interconnexions optiques sont réparties sur toute la surface, dit-il, les ingénieurs doivent s'assurer que les points chauds ne modifient pas les propriétés des appareils, afin que les données puissent atteindre chaque extrémité de la puce sans être modifiées. Selon Green, la résistance à la température du commutateur est due, en partie, au fait qu'il laisse passer plusieurs longueurs d'onde de lumière. Lorsque le commutateur change de température, il change également de propriétés, ce qui bloque certaines longueurs d'onde de la lumière. Mais comme le commutateur a été conçu pour acheminer un large spectre, il peut toujours fonctionner dans un environnement à température variable.

Green dit qu'il pourrait s'écouler cinq à dix ans avant que ce commutateur ne trouve sa place dans une machine commerciale. IBM a déjà fabriqué des modulateurs optiques ultra-compacts en silicium, mais, dit-il, il faudra des années pour intégrer le modulateur, le commutateur et d'autres composants avec la puce électronique.

En effet, la promesse de la photonique sur silicium crée un nouveau défi : comment reconcevoir un ordinateur pour communiquer avec la lumière plutôt qu'avec des électrons. Comment concevoir un réseau interconnecté qui exploite vraiment l'optique ? demande Bergman. Vous ne pouvez pas suivre les règles de conception de réseau de l'électronique, dit-elle. Il y a beaucoup de choses qui vont évoluer de façon spectaculaire à mesure que nous avançons.

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