211service.com
La percée d'Intel
La loi de Moore, qui a célébré son 40e anniversaire ce printemps, a été la plus grande bénédiction de l'industrie des semi-conducteurs. En 1965, le cofondateur d'Intel, Gordon Moore, prévoyait que le nombre de transistors sur une puce informatique doublerait tous les deux ans. À l'époque, une puce ne contenait que quelques dizaines de transistors. Aujourd'hui, la puce haut de gamme d'Intel contient plus de 1,7 milliard de transistors, et ce nombre devrait dépasser les 10 milliards d'ici 2012. Cette marche régulière de quatre décennies a alimenté la révolution informatique moderne et fait d'Intel une puissance technologique.
Mais la capacité d'emballer de plus en plus de transistors et d'autres circuits sur des puces exacerbe une multitude de problèmes qui pourraient, s'ils deviennent suffisamment graves, menacer la croissance de l'économie numérique existante basée sur le silicium. Juste quelques-uns des problèmes : accumulation de chaleur, courants électriques qui s'échappent des circuits, diaphonie électrique entre les fils voisins. Les derniers processeurs pour ordinateurs de bureau, par exemple, consomment 100 watts de puissance. Les processeurs des ordinateurs portables sont généralement plus efficaces, car ils sont destinés à maximiser la durée de vie de la batterie. Mais même eux consomment maintenant jusqu'à 75 watts. C'est comme mettre un grille-pain sur vos genoux, explique Pat Gelsinger, vice-président senior d'Intel. Une solution qui devrait se généraliser consiste à augmenter le nombre de transistors sur une puce non pas en les réduisant, mais simplement en plaçant le même schéma de circuit deux fois ou plus sur la même plaque de silicium. Intel a sorti ses premières puces dual core ce printemps. Et les dirigeants d'Intel envisagent un avenir avec de nombreuses puces de base, avec jusqu'à un millier de processeurs côte à côte.
Mais il y a un hic. Les fils de cuivre qui véhiculent le flux numérique un sable 0 Les entrées et sorties d'un ordinateur et entre les processeurs de certains ordinateurs ne peuvent transporter qu'une quantité limitée de données si rapidement. Si je double les performances [d'un processeur], je dois doubler les performances sur et hors de la puce, dit Gelsinger. Le cuivre, notre technologie d'interconnexion traditionnelle, manque de vitesse.
Le problème est que les impulsions électriques traversant un fil de cuivre rencontrent une résistance électrique, ce qui dégrade les informations qu'elles transportent. Par conséquent, les bits de données traversant le cuivre doivent être suffisamment espacés et se déplacer suffisamment lentement pour que les appareils à l'autre extrémité du fil puissent les capter. Cette limitation produit déjà des embouteillages de données sur les réseaux locaux qui utilisent des fils de cuivre pour connecter les ordinateurs. Et de nombreux experts prédisent que cela créera des goulots d'étranglement pour le trafic de données entre plusieurs processeurs au sein d'ordinateurs individuels. Le résultat est que même si la loi de Moore continue de s'appliquer, les ordinateurs ne pourront plus tirer parti de la puissance accrue qu'elle fournit, car ils ne pourront pas déplacer les données sur et hors des puces assez rapidement pour suivre les processeurs. . C'est un défi fondamental : les ordinateurs doivent trouver un moyen plus rapide de déplacer une grande quantité de données à la fois à l'intérieur et entre les puces.
Entrez dans le laser au silicium. Les connexions optiques peuvent transporter des milliers de fois plus de données par seconde que les fils de cuivre. Mais les composants optiques existants, qui sont fabriqués à partir de semi-conducteurs exotiques tels que l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium, sont beaucoup trop chers pour être utilisés dans des ordinateurs individuels ou même des réseaux locaux. Si vous pouviez fabriquer des dispositifs optiques en silicium, ce qui est bon marché et, au moins pour une entreprise comme Intel, facile à fabriquer, cela changerait tout. Le passage à l'optique en silicium ajouterait une nouvelle capacité de base aux puces en silicium : la capacité de manipuler et de répondre à la lumière. Les entreprises exploiteraient probablement d'abord cette capacité en remplaçant les connexions en cuivre par des liaisons optiques dans les réseaux. Mais à terme, la photonique au silicium pourrait également remplacer les fils de cuivre entre les processeurs au sein d'une même puce. Les concepteurs de puces ont également envisagé d'utiliser des optiques au silicium dans les horloges internes que les microprocesseurs utilisent pour exécuter des instructions, augmentant considérablement les vitesses d'horloge et donc les vitesses de calcul.
Jusqu'à récemment, toutes ces spéculations sur le potentiel de l'optique au silicium étaient hypothétiques : les lasers au silicium appropriés n'existaient pas. Mais les choses ont changé l'hiver dernier lorsque le laboratoire du scientifique d'Intel Mario Paniccia a signalé le premier laser continu tout en silicium. Construit en utilisant les mêmes méthodes de fabrication qui produisent des puces en silicium, le dispositif expérimental a produit un flux constant de photons infrarouges, une réalisation que de nombreux chercheurs avaient cru impossible avec le silicium.
Il est encore tôt pour la photonique sur silicium. Mais le résultat d'Intel, qui s'appuie sur les découvertes rapportées l'année dernière dans une rafale d'articles décrivant les progrès des composants optiques à base de silicium, convainc de nombreux experts qu'il pourrait devenir pratique de lier étroitement la technologie optique et électronique au niveau informatique. Les progrès réalisés par l'équipe de Paniccia ont été remarquables, déclare Graham Reed, un pionnier de la photonique sur silicium à l'Université de Surrey en Angleterre. Désormais, tous les sceptiques commencent à croire que le silicium aura un réel impact sur l'optique.
Les progrès attendus de la technologie du silicium maintiendront presque certainement la loi de Moore dans un avenir prévisible, créant des ordinateurs de plus en plus rapides. En accélérant d'immenses quantités de données entrantes et sortantes des puces et entre les machines, la photonique sur silicium pourrait aider les gens à accéder à cette vaste puissance de calcul.
Mauvais émetteur
Les fibres optiques constituent l'épine dorsale des réseaux de télécommunications longue distance et sont en grande partie responsables de la vitesse d'Internet. Mais les composants optiques ne sont pas bon marché. L'envoi et la réception optiques de données nécessitent un laser qui crée un faisceau lumineux ; un modulateur qui découpe ce faisceau en rafales marche/arrêt qui représentent le numérique un sable 0 s; des guides d'ondes qui dirigent la lumière à travers des puces ; et des photodétecteurs qui capturent la lumière et la reconvertissent en un signal électronique. Actuellement, ces dispositifs ne sont pas faits de silicium et coûtent des milliers de dollars à mettre en place. Les fournisseurs de télécommunications peuvent se permettre ces prix, mais rendre la technologie réalisable pour déplacer des données dans un ordinateur signifie réduire les prix par plusieurs ordres de grandeur.
Le silicium peut être la réponse. Le silicium pour nous, ce n'est peut-être pas une expérience religieuse, mais c'est assez proche, dit Gelsinger. Le silicium s'est avéré rentable, évolutif, durable, manufacturable et possède toutes sortes d'autres caractéristiques merveilleuses. Les pièces photoniques en silicium rendraient l'optique plus abordable et élargiraient les utilisations potentielles. Aujourd'hui, l'optique est une technologie de niche. Demain, c'est le courant dominant de chaque puce que nous construisons, dit Gelsinger.
Jusqu'à il y a environ un an, il semblait que le silicium ne jouerait jamais un rôle important dans l'optique. Le silicium n'est pas intrinsèquement le meilleur matériau optique, explique Reed. L'un de ses défauts les plus évidents est qu'il s'agit d'un émetteur de lumière moche. Lorsque les électrons du silicium sont excités, au lieu de libérer des photons, ils font vibrer le réseau cristallin du silicium. Le résultat est de la chaleur, pas de la lumière. En revanche, les semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium émettent de la lumière lorsqu'ils sont excités électriquement. Ainsi, alors que les chercheurs sont fascinés par les perspectives d'une puce optique depuis des années, le consensus était que le silicium n'était pas le bon matériau pour le construire.
Puis, à la fin des années 1990, des chercheurs ont signalé une série d'avancées encourageantes, quoique préliminaires, dans l'optique au silicium (voir Upstream , Revue technologique, juin 2001 ). Chez Intel, les progrès réalisés par l'équipe de Paniccia ont convaincu les dirigeants d'accélérer le programme de photonique sur silicium de l'entreprise. La première percée d'Intel a eu lieu en février 2004, lorsque Paniccia a rapporté dans le journal La nature que son groupe avait fabriqué un modulateur au silicium capable de convertir un flux continu de lumière provenant d'un laser en impulsions rapides de 1 et 0 numériques à une vitesse d'un milliard de hertz, ou un gigahertz, une avance de 50 fois par rapport au précédent record démontré expérimentalement pour le silicium. Mais ce n'était toujours pas assez rapide, dit Reed. Puis, ce printemps, des chercheurs d'Intel dirigés par le scientifique des matériaux Ling Liao ont signalé un modulateur au silicium qui fonctionne à 10 gigahertz, à peu près à égalité avec les autres modulateurs optiques.
Mais le composant photonique silicium crucial était toujours le laser. En septembre dernier, quatre groupes distincts, dont celui de Paniccia, ont signalé des lasers au silicium qui déclenchent des impulsions lumineuses staccato. Parce que le silicium convertit mal les charges électriques en lumière, tous ces lasers au silicium reposaient sur des lasers externes comme sources d'énergie. Comme tous les lasers à puce, les lasers au silicium fonctionnent en convertissant l'énergie - dans ce cas, les photons d'une autre source lumineuse - en une rafale de photons avec essentiellement la même longueur d'onde et la même phase. Les chercheurs d'Intel ont exploité un principe connu de longue date appelé effet Raman, dans lequel les photons acquièrent de l'énergie à partir de collisions avec des atomes vibrants.
Cependant, les lasers pulsés ne sont pas parfaits pour transmettre des données. Les ingénieurs optiques préfèrent de loin les lasers continus, qu'ils peuvent trancher et découper avec des modulateurs pour créer des signaux de données. Mais tous les groupes ont été confrontés au même problème. À mesure qu'ils augmentaient la quantité de lumière laser continue qu'ils alimentaient dans les puces de silicium, la probabilité que des paires de photons entrants frappent un seul atome de silicium en même temps a également augmenté. Lorsque cela s'est produit, les atomes de silicium ont expulsé les électrons de leurs orbites atomiques et ces charges mobiles ont englouti avec voracité les photons. Le laser entrant devait être pulsé pour donner aux électrons les millionièmes de secondes dont ils avaient besoin pour abandonner leur excès d'énergie et se détendre à leur état de repos.
L'équipe de Paniccia a proposé une réponse à la fois brillante et, pour ceux qui connaissent la technologie du silicium, conceptuellement simple. Gravé dans la puce laser Intel se trouvait un canal de guide d'ondes en silicium dans lequel la lumière rebondissait, gagnant en intensité. Les chercheurs ont implanté des électrodes des deux côtés du canal. Lorsqu'ils ont allumé une tension entre les électrodes, cela a créé un champ électrique qui a rassemblé les électrons chargés négativement vers l'électrode chargée positivement, les balayant efficacement. En conséquence, les photons ont pu s'accumuler sans entrave, jusqu'à ce qu'ils produisent un faisceau laser continu.
L'hiver dernier, trois jours avant Noël, les collègues de Paniccia, Haisheng Rong et Richard Jones, ont vu le premier signe que la stratégie fonctionnait : une ligne sur l'écran d'un analyseur de spectre optique montrant que les photons infrarouges produits par le laser sortaient dans un flux régulier.
À l'intérieur
Les chercheurs d'Intel doivent encore trouver des moyens de fabriquer des lasers au silicium aux côtés de composants électroniques sur puces. Les circuits électroniques sont construits grâce au processus minutieux de pose et de gravure de dizaines de couches de matériaux. Certaines de ces étapes nécessitent des températures bien supérieures à 1 000 °C ou une exposition à des produits chimiques caustiques. Les ingénieurs d'Intel devront donc s'assurer que les étapes nécessaires à la construction des dispositifs optiques ne dégradent pas les circuits électroniques, et vice versa.
Comme première démonstration de l'utilité de la photonique sur silicium, Paniccia prévoit d'intégrer plus tard cette année plusieurs modulateurs et autres composants optiques sur un morceau de silicium ; cette configuration devrait permettre des vitesses de transfert de données de 100 gigabits par seconde. Un tel prototype, espère Paniccia, illustrera le potentiel de la photonique au silicium pour transporter des données dans et hors des puces beaucoup plus efficacement que tout ce qui existe actuellement sur le marché.
En parcourant l'un de ses laboratoires récemment rénovés ce printemps, Paniccia a montré une maquette d'un câble Ethernet optique qui utiliserait la photonique au silicium. Alors que Paniccia conserve normalement le comportement modeste et prudent d'un scientifique, il est clair qu'il aime utiliser l'accessoire pour vendre sa vision du nouveau rôle du silicium. À l'extrémité du câble mince en brins spaghetti se trouve un connecteur qui ressemble à l'extrémité d'un cordon téléphonique, avec des coussinets métalliques placés sous de minuscules fentes dans un boîtier en silicone. Dans une version fonctionnelle du câble, les signaux électriques passeraient d'une puce informatique à travers ces plots métalliques jusqu'à une puce photonique en silicium à l'intérieur du minuscule connecteur, où ils seraient convertis en un flux d'impulsions lumineuses.
Alors qu'à l'extérieur, le câble ressemble à une technologie familière, l'ajout de photonique au silicium bon marché apporterait une vitesse et une puissance sans précédent aux ordinateurs. Et cela permettrait à Intel d'ajouter son célèbre logo de marque Intel Inside à une autre technologie de transformation. Réaliser cette vision ne sera pas facile. Pourtant, Paniccia est convaincue que cela arrivera. Il n'est plus question de savoir si nous pouvons le faire. C'est quand et comment. C'est le changement de l'année dernière. Et lorsque la dernière barrière technique tombera, dit-il, la photonique sur silicium sera partout.
Robert Service est un écrivain basé à Portland, OR qui couvre la chimie et la science des matériaux pour La science.