Repenser la conception des puces photoniques pourrait réduire la consommation d'énergie des centres de données

Oct 01, 2023

Les circuits intégrés photoniques, ou PIC, sont des dispositifs qui permettent la génération, le transfert et le traitement de données à l'aide de particules lumineuses par opposition aux électrons. Bien qu'ils soient encore expérimentaux pour une utilisation dans l'informatique alternative, les PIC ont longtemps été l'épine dorsale des télécommunications, permettant la fonctionnalité des lignes à fibre optique à haut débit d'aujourd'hui.

Grâce aux méthodes traditionnelles de fabrication des semi-conducteurs, le silicium est devenu la plate-forme principale dans le développement de ces types de puces, permettant aux ingénieurs d'utiliser les installations de fabrication électronique existantes afin de les concevoir et de les produire en masse.

Bien que les PIC soient beaucoup plus efficaces et offrent une bande passante nettement plus élevée par rapport aux méthodes de communication électroniques, il y a encore place à l'amélioration car les puces photoniques en silicium nécessitent beaucoup d'énergie pour la régulation de la température afin de maintenir leurs performances de transfert de données élevées.

Dans cet article, nous discuterons d'une percée dans l'efficacité des circuits intégrés photoniques qui découle d'un effort de recherche combiné d'ingénieurs et de scientifiques de l'Oregon State University et de l'Université Baylor qui ont l'intention de réduire considérablement la consommation d'énergie électrique dans les centres de données.

Afin de transporter plusieurs fréquences lumineuses à travers le même support photonique et de permettre la transmission simultanée de différents signaux à l'aide d'une seule fibre optique, les ingénieurs ont mis au point une méthode appelée multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) dans laquelle la capacité du canal de données de la technologie peut être augmentée. sans entraver son taux de transfert extrêmement rapide.

Dans les circuits intégrés photoniques, les structures utilisées pour réaliser le WDM sont appelées résonateurs à micro-anneaux en silicium, ou Si-MRR, qui fonctionnent comme des guides d'ondes optiques en se bouclant sur eux-mêmes de manière à ce qu'une résonance se produise à chaque fois que la longueur du trajet optique d'un résonateur singulier mesure exactement un nombre entier de longueurs d'onde.

En fabriquant ces types de résonateurs en anneau à l'aide de silicium, le WDM peut être réalisé à une échelle extrêmement petite et dans le cadre de systèmes à très faible consommation d'énergie. Cependant, l'un des principaux défis de la technologie Si-MRR est la sensibilité à la longueur d'onde de résonance due aux fluctuations de température et aux variations du processus de fabrication.

Jusqu'à présent, ces dispositifs assuraient un contrôle précis de la longueur d'onde par injection de porteurs libres à l'aide de diodes PIN et de radiateurs thermiques qui nécessitaient une quantité importante d'énergie électrique.

Maintenant, les chercheurs de l'État de l'Oregon et de Baylor ont présenté une nouvelle méthode pour réduire ce besoin énergétique de contrôle de la température d'un facteur stupéfiant de plus d'un million.

En mars dernier, une équipe dirigée par le professeur de l'Université Baylor, Alan Wang, a publié ses conclusions sur l'expérimentation de Si-MRR commandés par grille pour le développement de circuits intégrés photoniques hautement efficaces.

Pour relever les défis de température de la technologie, l'équipe du professeur Wang a développé un type spécialisé de filtre WDM sur puce accordable indépendamment qui utilise un réseau de quatre Si-MMR avec de l'oxyde d'indium et d'étain (ITiO), de l'oxyde d'hafnium (IV) (HfO2) et du silicium condensateurs métal-oxyde-semi-conducteur (MOS) fabriqués.

Le composé MOS utilisé dans cette recherche est ce que l'on appelle un oxyde conducteur transparent à haute mobilité (TCO) qui, contrairement aux jonctions PN, présente des efficacités électro-optiques beaucoup plus importantes. C'est ce qui produit efficacement les caractéristiques d'économie d'énergie de cette percée, car en utilisant des matériaux TCO, une large plage de réglage de longueur d'onde peut être obtenue grâce à une faible tension de grille et une consommation d'énergie négligeable.

Selon le professeur John Conley de l'Oregon State's College of Engineering, grâce à ses connaissances en dépôt de couche atomique et en dispositifs électroniques, et à l'expertise du professeur Wang en photonique, leur équipe a été capable de produire un prototype fonctionnel de PIC dont la température est contrôlée par la tension de grille qui ment pratiquement aucune utilisation de courant électrique.

Les recherches des professeurs Conley et Wang ont également inclus les étudiants diplômés de l'Oregon State University Wei-Che Hsu, Ben Kupp et Nabila Nujhat et ont été soutenues par Intel, la NASA et la National Science Foundation.

Étant donné que la fibre optique et les circuits photoniques sont essentiels pour établir des interconnexions physiques rapides et fiables dans les centres de données, les recherches effectuées par les ingénieurs de l'État de l'Oregon et de l'Université Baylor pourraient avoir un impact significatif sur une industrie qui est actuellement et sera dans un avenir prévisible. , très demandé.

Les centres de données abritent l'importante infrastructure informatique et réseau de nombreuses entreprises, dont Google, Meta et Microsoft, et sont tenus de fonctionner à tout moment, ce qui représente environ 2 % de toute la consommation d'énergie électrique aux États-Unis selon le ministère de l'Énergie.

Bien qu'encore expérimentales, les recherches PIC publiées par les professeurs Wang et Conley peuvent jouer un rôle important dans la minimisation de ces besoins énergétiques, permettant aux ingénieurs de créer des outils plus rapides et plus puissants sans avoir à se soucier des factures d'électricité et de l'impact environnemental.