Image tridimensionnelle au microscope électronique d'une région de la puce photonique électronique MIT-UC Berkeley-BU, montrant un résonateur à anneau photonique en haut à droite à côté d'un bloc de circuit électronique en bas à gauche. Crédit :CSNE Albany
Une nouvelle technologie de micropuce capable de transférer optiquement des données pourrait résoudre un grave goulot d'étranglement dans les appareils actuels en accélérant le transfert de données et en réduisant la consommation d'énergie de plusieurs ordres de grandeur, selon un article paru dans le 19 avril, numéro 2018 de La nature .
Des chercheurs de l'Université de Boston, Massachusetts Institute of Technology, l'Université de Californie à Berkeley et l'Université du Colorado Boulder ont développé une méthode pour fabriquer des puces de silicium qui peuvent communiquer avec la lumière et ne sont pas plus chères que la technologie actuelle des puces. Le résultat est l'aboutissement d'un projet de plusieurs années financé par la Defense Advanced Research Project Agency qui était une étroite collaboration entre les équipes dirigées par le professeur agrégé Vladimir Stojanovic de l'UC Berkeley, Professeur Rajeev Ram du MIT, et le professeur adjoint Milos Popovic de l'Université de Boston et auparavant CU Boulder. Ils ont collaboré avec une équipe de recherche sur la fabrication de semi-conducteurs aux Collèges de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique (CNSE) de l'Université d'État de New York à Albany.
Le goulot d'étranglement de la signalisation électrique entre les puces microélectroniques actuelles a laissé la communication lumineuse comme l'une des seules options restantes pour de nouveaux progrès technologiques. La méthode traditionnelle de transfert de données - les fils électriques - a une limite sur la vitesse et la distance de transfert des données. Il consomme également beaucoup d'énergie et génère de la chaleur. Avec la demande incessante de performances supérieures et de puissance inférieure dans l'électronique, ces limites ont été atteintes. Mais avec ce nouveau développement, ce goulot d'étranglement peut être résolu.
"Au lieu d'un seul fil transportant 10 à 100 gigabits par seconde, vous pouvez avoir une seule fibre optique transportant 10 à 20 térabits par seconde, soit environ mille fois plus dans le même encombrement, " dit Popovic.
"Si vous remplacez un fil par une fibre optique, il y a deux façons de gagner, " dit-il. " D'abord, avec lumière, vous pouvez envoyer des données à des fréquences beaucoup plus élevées sans perte d'énergie significative comme c'est le cas avec le câblage en cuivre. Seconde, avec optique, vous pouvez utiliser de nombreuses couleurs de lumière différentes dans une fibre et chacune peut transporter un canal de données. Les fibres peuvent également être emballées plus étroitement les unes contre les autres que les fils de cuivre ne peuvent le faire sans diaphonie."
Autrefois, les progrès pour intégrer une capacité photonique aux puces de pointe utilisées dans les ordinateurs et les smartphones ont été entravés par un obstacle à la fabrication. Les processeurs modernes sont activés par des processus de fabrication de semi-conducteurs industriels hautement développés capables d'éliminer un milliard de transistors qui fonctionnent ensemble sur une seule puce. Mais ces processus de fabrication sont finement réglés et il s'est avéré difficile de concevoir une approche pour inclure des dispositifs optiques sur des puces tout en gardant intactes les capacités électriques actuelles.
Photographie de la puce électronique-photonique en silicium conçue par le MIT, UC Berkeley et l'équipe de l'Université de Boston. Crédit :Amir Atabaki
Le premier grand succès pour surmonter cet obstacle a eu lieu en 2015 lorsque le même groupe de chercheurs a publié un autre article dans La nature qui a résolu ce problème, mais l'a fait dans un cadre commercial limité. L'article démontrait le premier microprocesseur au monde doté d'une capacité de transfert de données photoniques et l'approche permettant de le fabriquer sans modifier le processus de fabrication d'origine, un concept que les chercheurs ont qualifié de technologie à changement zéro. Laboratoires Ayar, Inc., une startup que Ram, Popovic et Stojanovic co-fondés, s'est récemment associé à GlobalFoundries, un grand fabricant de l'industrie des semi-conducteurs, pour commercialiser cette technologie.
Cependant, cette approche précédente était applicable à une petite fraction des puces microélectroniques de pointe qui n'incluaient pas le type le plus répandu, qui utilisent une matière première appelée silicium massif.
Dans le nouveau journal, les chercheurs présentent une solution de fabrication applicable même aux puces les plus répandues dans le commerce à base de silicium massif, en introduisant un ensemble de nouvelles couches de matériau dans la partie de traitement photonique de la puce de silicium. Ils démontrent que ce changement permet une communication optique sans impact négatif sur l'électronique. En travaillant avec des chercheurs de pointe en fabrication de semi-conducteurs au CNSE Albany pour développer cette solution, les scientifiques ont veillé à ce que tout processus développé puisse être inséré de manière transparente dans la fabrication actuelle au niveau de l'industrie.
"En étudiant soigneusement et en optimisant les propriétés des couches de matériaux supplémentaires pour les dispositifs photoniques, nous avons réussi à démontrer des performances de pointe au niveau du système en termes de densité de bande passante et de consommation d'énergie tout en partant d'un processus beaucoup moins coûteux par rapport aux technologies concurrentes, " dit Fabio Pavanello, un ancien associé postdoctoral du groupe de recherche de Popovic qui est co-premier auteur de l'article avec Amir Atabaki, chercheur au MIT, et Sajjad Moazeni, un étudiant diplômé à UC Berkeley. « Il a fallu une collaboration majeure sur plusieurs années de nos trois groupes dans différentes disciplines pour arriver à ce résultat, " ajoute Atabaki.
La nouvelle plateforme, qui apporte la photonique aux puces microélectroniques en silicium massives de pointe, promet une communication plus rapide et plus économe en énergie qui pourrait considérablement améliorer l'informatique et les appareils mobiles. Les applications au-delà de la communication de données traditionnelle incluent l'accélération de la formation de réseaux de neurones artificiels d'apprentissage en profondeur utilisés dans les tâches de reconnaissance d'images et de la parole, et des capteurs LIDAR infrarouges à bas prix pour les voitures autonomes, identification de visage de smartphone et technologie de réalité augmentée. En outre, les puces optiques pourraient permettre de nouveaux types de sécurité des données et d'authentification matérielle, puces plus puissantes pour les appareils mobiles fonctionnant sur les réseaux sans fil de 5e génération (5G), et des composants pour le traitement et le calcul de l'information quantique.
"Pour les technologies de fabrication de semi-conducteurs actuelles et futures les plus avancées avec des dimensions de transistors électroniques inférieures à 20 nm, il n'y a pas d'autre moyen d'intégrer la photonique que cette approche.", a conclu Vladimir Stojanovic, dont l'équipe a dirigé une partie des travaux, "Toutes les couches de matériaux utilisées pour former les transistors deviennent trop minces pour supporter la photonique, donc les couches supplémentaires sont nécessaires."
