L’Europe domine la photonique
De l’interconnexion à l’informatique optique et même aux ordinateurs quantiques, la photonique en Europe connaît actuellement un essor important.
D’ici la fin de la décennie, le marché mondial de la photonique devrait dépasser 1,5 milliard d’euros, en raison de la nécessité croissante d’augmenter la bande passante des puces d’intelligence artificielle des centres de données tout en réduisant la consommation d’énergie.
Le concepteur de puces d’IA Nvidia, par exemple, travaille en étroite collaboration avec TSMC, pour ajouter des composants optiques tels que des oscillateurs en anneau dans les centres de données afin de faire face à l’augmentation de la consommation d’énergie des puces d’IA et des racks.
Alan Weckel, cofondateur et analyste technologique au sein du « 650 Group » à déclaré : « Avec l’augmentation du nombre de GPU et de la bande passante de l’IA, les structures de mise à l’échelle devront abandonner le cuivre au profit de solutions optiques. Les centres de données d’IA évolueront vers des optiques co-packagées et des sources lumineuses DWDM externes. De ce faitr, la mise à l’échelle des réseaux est une opportunité supplémentaire pour les fournisseurs, le marché devant dépasser 25 milliards de dollars d’ici 2029, et l’ensemble des opportunités de mise en réseau de l’IA approchera rapidement les 100 milliards de dollars par an. »
Le projet européen StarLight, doté de 18,8 millions d’euros, marque également une étape importante pour la photonique au silicium dans les centres de données, elle utilise la technologie de traitement photonique du silicium PIC100 développée par STMicroelectronics avec l’hyperscaler Amazon Web Services et annoncée au début de l’année. PIC100 utilise des tranches de silicium de 300 mm à Crolles pour la production en grande quantité de puces photoniques, avec la possibilité d’utiliser l’usine d’Agrate, en Italie. Pour StarLight, 24 partenaires développent un processus de bout en bout pour les moteurs optiques.
Guides d’ondes en silicium à faibles pertes dans le processus PIC100 de STMicroelectronics
l »Europe au premier plan de l’IA des centres de données
Sylvie Gellida, directrice générale de la division fonderie optique et RF chez STMicroelectronics, a expliqué à eeNews Europe : « StarLight est au carrefour de la stratégie de ST dans le domaine des centres de données, qui vise à placer l’Europe au premier rang pour soutenir la révolution de l’IA et des centres de données. Avec l’écosystème StarLight et l’écosystème au-delà de StarLight, nous avons les bons partenaires en Europe et en dehors de l’Europe pour participer à cette révolution avec un rythme d’innovation élevé, ce qui est essentiel pour la prochaine génération de technologies. La photonique au silicium deviendra un élément central dans les années à venir La première cible est constituée par les moteurs optiques pour les modules de communication de données, car il s’agit de la plus grande partie du marché actuel pour les partenaires du projet tels qu’Ericsson et la start-up Sicoya à Berlin.
Ericsson se concentrera sur deux concepts visant à améliorer l’efficacité des réseaux mobiles. Le premier concerne le développement d’un commutateur intégré pour permettre le délestage optique au sein des réseaux d’accès radio, ce qui permet un traitement plus efficace du trafic de données. Le second concept explore la technologie de la radio sur fibre pour déplacer les ASIC de traitement à forte consommation d’énergie loin des unités d’antenne, augmentant ainsi la capacité.
Mbryonics, à Galway, en Irlande, développera également une interface espace libre-fibre à la réception des communications optiques en espace libre (FSO), qui est un élément clé dans la conception d’un système de communication optique basé dans l’espace.
Mais l’accent est également mis sur la photonique pour les chiplets.
Sylvie Gellida, continue son développement : « Nous allons travailler sur différentes intégrations hétérogènes, ainsi que sur les aspects liés à l’emballage, le bumping et le microbumping doivent être développés. Mais, nous développons une autre technologie chez ST avec une capacité TSV ainsi que des modulateurs compacts,afin d’améliorer l’efficacité énergétique du moteur optique. La référence est le PIC100 d’ici la fin de l’année. La pile comprend tous les éléments du moteur optique avec des guides d’ondes Si et SiN dont un coupleur de bord très efficace, un modulateur 50 GHz à grande vitesse, une photodiode avec une largeur de bande de 80 GHz, fondamental pour l’intégration du Rx plutôt que du Tx donc très utile pour la nomenclature ».
« À partir de cette base, nous intégrerons les TSV et les modulateurs d’un seul côté », a-t-elle déclaré. « Aujourd’hui, nous en sommes à 25G par voie et, grâce à la recherche, nous évaluerons différents matériaux pour atteindre 400Gbit/s. »
Des chiplets en mi-2028
« Pour les chiplets, nous avons une feuille de route pour une production au milieu de l’année 2028. Le projet est en train de prototyper des dispositifs avec une bande passante de 200 Gbit/s par voie aujourd’hui avec une production de masse l’année prochaine et un prototypage de 400 G par voie en 2027 avec une production en 2028. Nous disposons d’un PDK propriétaire que nous fournissons aux partenaires et aux clients de StarLight, qui l’utilisent pour concevoir des éléments de propriété intellectuelle personnalisés ».
Un point clé dans l’innovation de ST
« StarLight est très important dans la stratégie d’innovation de ST, mais ce n’est pas le seul et nous pouvons aussi nous connecter avec d’autres parties », a-t-elle déclaré. « Dans le cadre de StarLight, nous travaillons avec quelques jeunes entreprises prometteuses sur des solutions innovantes. Cependant, les possibilités offertes par la photonique en Europe ne se limitent pas aux communications, nous n’oublions pas les marchés émergents, comme ceux de la détection et du lidar, et dans ce domaine, nous travaillons avec Steerlight pour le lidar à base de silicium
Les nouveaux matériaux.
Le projet travaille également sur de nouveaux matériaux : divers matériaux avancés seront explorés avec SOITEC, CEA-LETI, imec, Université Paris-Saclay, III-V LAB et Lumiphase explorant le silicium sur isolant (SOI), le niobate de lithium (LNOI), et le titanate de baryum (BTO).
Démarrage d’une entreprise de photonique
Près de Crolles, la start-up française Scintil Photonics a levé 50 millions d’euros dans le cadre d’un tour de table de série B auquel participent Nvidia et Bosch Ventures pour une technologie de pointe pour les centres de données. La technologie SHIP (Scintil Heterogeneous Integration Photonics) développée par Scintil Photonics permet l’intégration de plusieurs dispositifs optiques, notamment des lasers, des photodiodes et des modulateurs, sur une seule puce. Cela permet à Scintil, de remplacer des dizaines de composants traditionnellement séparées par une seule puce. Le Leti participe également au projet StarLight.
La technologie SHIP permet une connectivité optique basse consommation et haute densité pour les chiplets, avec une densité de bande passante de 6,4 Tbps/mm à environ un sixième de la consommation d’énergie des conceptions enfichables conventionnelles. Cette technologie est conçue pour les clusters GPU à grande échelle et les systèmes d’intelligence artificielle émergents, avec un packaging de référence et un support d’intégration pour accélérer le déploiement.
Avec ce financement Scintil embauche en France et à l’étranger, y compris aux États-Unis, et d’accélérer la production de son moteur optique DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) à puce unique, qui intègre des lasers à longueurs d’onde multiples à la photonique du silicium pour la prochaine génération d’optiques co-packagées (CPO).
« L’optique co-packagée DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) est un élément différenciateur qui permet de connecter des milliers de GPU aux exigences de densité de bande passante de l’infrastructure IA de nouvelle génération », a déclaré Daryl Inniss, Optical Components and Advanced Fiber lead chez l’analyste Omdia. « La source laser DWDM monopuce de Scintil, basée sur un processus photonique intégré hétérogène, démontre comment cela peut être fourni dans une plateforme fabricable et évolutive. Cette capacité est importante à mesure que les usines d’intelligence artificielle s’orientent vers des clusters plus importants et un débit plus élevé. »
« Cela marque un moment décisif pour le déploiement à grande échelle », a déclaré Matt Crowley, PDG de Scintil. « Notre technologie SHIP permet d’intégrer la photonique avec l’évolutivité, l’efficacité énergétique et la densité d’intégration nécessaires pour alimenter l’infrastructure de calcul de la prochaine génération. Cette efficacité permet non seulement de réduire les coûts d’exploitation des centres de données, mais contribue également à diminuer l’empreinte carbone de l’infrastructure d’IA. »
Cornerstone photonics
Dans le même temps, le Royaume-Uni fait de la photonique un élément clé de différenciation pour l’industrie des semi-conducteurs. Plus de 1 400 entreprises travaillent sur cette technologie au Royaume-Uni et le marché de 18 milliards de livres sterling connaît une croissance de 20 à 25 % par an.
Le projet Cornerstone de l’université de Southampton tire parti de cette croissance depuis 2014, en travaillant avec des universités et plus de 100 partenaires industriels sur des plaquettes multi-projets, expédiant 800 lots de puces photoniques dans 24 pays. Le projet lance cette semaine un kit de développement de processus (PDK) open source afin de permettre aux chercheurs et aux entreprises d’accéder plus facilement à la technologie.
Le Cornerstone Photonics Innovation Centre (C-PIC), qui vient d’être lancé, est financé en tant que centre technologique britannique pour la photonique du silicium, afin de créer un pipeline d’entreprises spécialisées dans la photonique du silicium qui desserviront plusieurs secteurs industriels d’ici à 2030. Il propose sept plateformes technologiques photoniques pour des applications telles que les télécommunications, la détection, le LiDAR et la quantique. Chaque plateforme dispose d’une bibliothèque de composants standard et d’un PDK open-source, ce qui permet d’abaisser les barrières à l’entrée et de faciliter le développement de projets de R&D précoces et la construction de prototypes de validation du concept.
L’université de Southampton est également l’une des deux universités britanniques qui font partie de la ligne pilote PIXEurope sur la photonique, dotée d’un budget de 380 millions d’euros, qui a démarré en juin de cette année. Dirigée par l’ICFO (Espagne), cette ligne rassemble 18 partenaires de 11 pays afin de créer un écosystème pour la photonique intégrée comprenant la conception, la fabrication, l’emballage et les essais. Cela inclut le silicium sur isolant, le nitrure de silicium (SiN), le germanium sur silicium, le phosphure d’indium (InP) et même le graphène.
« PIXEurope est la première ligne pilote de puces photoniques en Europe qui réunit divers matériaux, processus et techniques d’intégration qui permettront le développement et la démonstration de dispositifs et de systèmes pour toutes les applications où la photonique est une technologie clé », a déclaré Valerio Pruneri, professeur à l’ICREA, chef de groupe à l’ICFO et directeur de la ligne pilote.
L’Europe doit renforcer ses capacités photoniques intégrées et le consortium PIXEurope est prêt à relever ce grand défi », a déclaré Peter O’Brien, responsable de l’emballage à l’institut Tyndall en Irlande.
« PIXEurope facilitera l’adoption à grande échelle de circuits intégrés photoniques avancés produits à l’aide de kits de conception normalisés et de processus de fonderie mis au point en Europe. Les puces photoniques avancées offriront des avancées qui changeront la donne en matière de vitesse, d’efficacité énergétique et de précision », a déclaré Kevin Williams, président du groupe d’intégration photonique à l’université technique d’Eindhoven, aux Pays-Bas.
Informatique quantique
La photonique a également joué un rôle clé pour PsiQuantum dans la construction d’un ordinateur quantique avec des millions de qubits. L’entreprise a intégré le titanate de baryum (BTO) dans son processus de fabrication sur des tranches de 300 mm. Le BTO est l’un des matériaux électro-optiques les plus performants au monde et peut être utilisé pour des commutateurs optiques ultra-performants afin d’étendre le réseau optique. Les plaquettes de BTO sont traitées dans l’usine PsiQuantum en Californie, puis intégrées aux plaquettes fabriquées par GlobalFoundries.
Le commutateur optique BTO présente également un potentiel pour les supercalculateurs d’IA de la prochaine génération, un domaine d’intérêt accru compte tenu de la croissance rapide des charges de travail d’IA, où les réseaux optiques à faible consommation d’énergie et à grande vitesse sont de plus en plus importants. Le jeu de puces PsiQuantum Omega comprend des guides d’ondes SiN avec des pertes aussi faibles que 0,5 ± 0,3 dB m-1, des séparateurs et des croisements avec des pertes de 0,5 ± 0,2 mdB et 1,2 ± 0,4 mdB, respectivement, et des pertes de couplage fibre-puce aussi faibles que 52 ± 12 mdB.
Le flux de fabrication avec GF comprend plus de 20 niveaux de photolithographie et des centaines d’étapes de traitement et de mesure en ligne. Les modules de processus critiques développés comprennent des guides d’ondes photoniques passifs en silicium sur isolant, une couche supraconductrice en nitrure de niobium (NbN) pour la détection de photons uniques, des tranchées profondes remplies de métal pour la réduction du bruit optique, des réchauffeurs résistifs pour le contrôle de la phase et la reconfigurabilité du circuit optique, des coupleurs à réseaux pour les entrées/sorties optiques, des interconnexions électriques en cuivre en fin de ligne et des couches de redistribution en aluminium.
Enseigner la photonique
Il est également essentiel de veiller à ce que l’Europe dispose des compétences nécessaires pour tirer parti de la croissance de la photonique.
Le projet Phortify, doté d’un budget de 5 millions d’euros et lancé en septembre, vise à couvrir l’ensemble de la chaîne de valeur de la photonique, des principes fondamentaux à la conception, en passant par la fabrication, le conditionnement, les essais et le déploiement. L’initiative propose un programme commun de photonique sous forme de cours facultatifs dans le cadre des programmes de maîtrise locaux, avec un certificat délivré aux étudiants qui ont suivi 30 ECTS. Le programme s’inscrit directement dans le cadre de la mission « Europe numérique » de l’UE, qui vise à renforcer les capacités numériques stratégiques.
A ce sujet, Tino Eidam, directeur de la technologie chez Active Fiber Systems, en Allemagne, qui fabrique des systèmes laser femtoseconde. a déclaré : « L’Europe a besoin de talents dans le domaine de la photonique, notamment d’ingénieurs qui comprennent l’ensemble de la chaîne, de la conception au déploiement. « Le programme d’études de Phortify, les modules empilables et les projets pratiques aident à développer exactement ces compétences. Pour les entreprises, cela signifie l’accès à des professionnels bien préparés qui peuvent contribuer à l’innovation et soutenir le développement de solutions photoniques avancées de manière plus ciblée et plus efficace. »
Coordonné par la Vrije Universiteit Brussel (VUB) avec une douzaine de partenaires à travers l’Europe, Phortify vise également à stimuler la diversité et l’inclusion, avec une aide financière, un mentorat et une sensibilisation ciblée des meilleurs étudiants issus de groupes sous-représentés. Il s’agira notamment d’un cadre de soutien complet comprenant des bourses d’études, des dispenses de frais, une aide au coût de la vie et des bourses de mobilité et de voyage.
Un investissement stratégique dans l’avenir numérique de l’Europe
« Phortify est plus qu’un projet, c’est un investissement stratégique dans l’avenir numérique de l’Europe. En créant un réseau harmonisé d’enseignement de la photonique, nous dotons la prochaine génération de l’esprit d’innovation et de l’excellence en matière de compétences numériques dont l’industrie et la société ont un besoin urgent. Ce lancement marque le début d’une collaboration puissante au-delà des frontières, des disciplines et des secteurs », a déclaré le professeur Heidi Ottevaere de la VUB, en Belgique.
Cette idée est également soutenue par la direction de ST. « Le projet STARLight représente une étape importante pour l’ensemble de la chaîne de valeur en Europe, en stimulant l’innovation et la collaboration entre des entreprises technologiques de premier plan », a déclaré Remi El-Ouazzane, président du groupe Microcontrôleurs, circuits intégrés numériques et produits RF chez STMicroelectronics. « En se concentrant sur des résultats basés sur des applications, le projet vise à fournir des solutions de pointe pour les centres de données, les clusters d’intelligence artificielle, les télécommunications et les marchés automobiles. Avec des partenaires paneuropéens bien reconnus, le consortium est prêt à mener la prochaine génération de technologies et d’applications photoniques sur silicium. »
Avec la fonderie ouverte PIXEurope et la fonderie photonique britannique Cornerstone, associées au programme d’éducation Phortify, il existe un solide pipeline de développement de technologies et de composants photoniques, avec un soutien à la fois aux grands champions nationaux et aux start-ups qui peuvent être les prochains leaders de la technologie.
www.st.com ; www.scintil.com ; www.starlight-h2020.eu ; www.phortify.eu
technologie de pointe pour les centres de données
Cornerstone vise à créer un Github de la photonique
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