Les puces photoniques arrivent : HP et IBM y travaillent.

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Les besoins en traitement d’informations et en communication croissent à une vitesse vertigineuse, jusqu’au sein même de nos processeurs. À tel point que l’électronique pourrait montrer rapidement ses limites. L’avenir des puces serait donc la photonique. HP et IBM y travaillent activement, même si les premiers modèles commerciaux n’arriveront pas avant plusieurs années.

La photonique au présent 

Des fibres optiques

Le A5X, le Tegra 3 … pfff… has been. Le futur, c’est la photonique. En fait, c’est déjà un peu le présent. Les plus bourgeois de nos lecteurs, équipés en fibre optique, bénéficient déjà tous les jours des bienfaits de l’optoélectronique.

Traditionnellement, on utilise des courants électriques, c’est-à-dire des mouvements d’électrons pour transmettre de l’information. Or, pour faire bouger ces électrons, on doit y mettre une certaine énergie, d’autant plus grande que le métal qui les conduit offre plus de résistance. Or, plus un fil est long, plus sa résistance est grande, le signal s’atténue alors jusqu’à se perdre au bout de quelques kilomètres. Dans une fibre optique, les photons n’ont pas ce problème, d’où leurs utilisation pour les transmissions sur de longues distances.

Même sur des distances faibles, la résistance du métal est un facteur limitant si on veut transmettre une très grande quantité d’informations. On doit constamment faire des compromis entre la consommation énergétique, la vitesse et la fiabilité du signal. En fait, depuis 10 ans, la voie optique est très fréquemment utilisée pour connecter les différents nœuds de calcul des superordinateurs.

Des armoires d'un datacenter typique

Un superordinateur moderne (ou un datacenter) peut être vu comme un gros réseau informatique hiérarchisé. Des processeurs, comprenant plusieurs cœurs, sont assemblés en “racks”, eux-mêmes assemblés en armoires, elles-mêmes mises en réseau. Les performances globales de ce réseau, qui peut contenir sans problème des centaines de milliers de cœurs, dépendent énormément de la vitesse d’interconnexion des ses divers nœuds. La fibre optique permet d’aller beaucoup plus loin en proposant des débits énormes pour une consommation énergétique bien moindre.

Au fur et à mesure que les performances et les besoins en communication s’accroissent, la piste optique devient attractive à des échelles de plus en plus petites. IBM et HP le démontrent, séparément, avec des innovations relativement analogues, visant à connecter les processeurs entre eux par des liens optiques.

IBM et sa puce à trous

Pour IBM, la communication entre les puces d’une même carte pourrait demain bénéficier de débit dépassant le terabit (mille milliards de bits) par seconde. Les chercheurs d’IBM ont présenté un prototype « d’optopuce à trous » (« Holey Optochip »), pouvant communiquer entre elles par impulsions lasers. Pourquoi des trous ? Pour laisser passer la lumière. Chaque trou est un canal photonique d’une bande passante de 20 gigabits par seconde. Il est relié à tout une logique de démodulation capable de transformer les impulsions lumineuses en impulsions électriques. La puce totalise 48 trous, soit 960 gigabits / s, mais ce n’est qu’un début, IBM prévoit de pousser à 25 Gigabits/s et par trou.

L' optopuce à trous d'IBM

Le circuit intégré en lui-même utilise des techniques de gravure CMOS classiques et des diodes lasers à cavités verticales émettant par la surface (VCSEL). Rien de complètement extravagant, ce qui pourrait amener à une commercialisation relativement rapide (dans les deux ans ?), ou à une prochaine utilisation de cette technologie dans les futures machines IBM.

Projet Corona

Moi aussi j'ai un projet Corona...

Dans le même ordre d’idée, mais encore plus fort : HP à quelque peu dévoilé son projet « Corona ». Un microprocesseur photonique capable d’aligner une puissance de 10 téraflops grâce à 256 cœurs. Ils seraient connectés entre eux et à la mémoire principale par des liens photoniques à une vitesse de 10 à 20 téra-octets par seconde. Tout ça pour une consommation minime, évidemment.

HP n’est pas le seul à essayer de faire des super processeurs massivement multicœurs, mais le problème principal est toujours le même : la bande passante mémoire. Les cœurs doivent communiquer entre eux et avec la mémoire. Or, au plus ils sont rapides, au plus ils ont besoin d’un volume de données important pour s’occuper, sinon: ils s’ennuient…

Au-delà de 16 cœurs, ça devient difficile avec les moyens actuels. Avec 256, c’est ingérable, il faut changer de technologie.

Le projet Corona s’appuie sur de récents progrès en intégration des composants optoélectroniques (câbles, détecteurs, modulateurs). Selon HP, chaque cœur disposera d’un mini laser lui permettant de discuter avec les autres cœurs via un réseau local optique intégré à la puce. Mieux, Corona serait en 3D ! Les 256 cœurs seraient regroupés en 4 clusters de 64 cœurs. La puce serait gravée en plusieurs couches, qui communiqueraient par des connexions verticales, les « through silicon via » ou TSV.

Ce n'est pas un sas de station spatiale, mais un composant photonique microscopique (HP Labs).

Pour le moment, la technologie pour produire Corona n’en est qu’à ses balbutiements. En particulier, les lasers microscopiques qui seraient nécessaires ne sont même pas à l’état de prototypes. Des lasers au Germanium sont néanmoins en route et sont pressentis comme de bons candidats.

Sarah Connor ?

Optimiste, HP prévoit un Corona fonctionnel pour 2017 ! D’après Richard Otte, CEO de Promex Industries, la photonique intégrée sera courante d’ici 10 ans.

Alors ? Qui va avoir l’honneur de réussir à nous créer Skynet avant la prochaine décennie ? HP avec ses superpuces photoniques ou IBM ? Rappelons qu’avec Watson, ce dernier dispose déjà d’un des systèmes d’intelligence artificielle les plus sophistiqués au monde, il est donc bien placé. À moins qu’Intel ne leur dame le pion à tous. En tout cas, les premiers Terminators devraient arriver avant 2030. Youpi.

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