Innovation : L’IA fait décoller la photonique sur silicium
La photonique sur silicium s’impose comme une technologie stratégique pour les interconnexions dans les datacenters, qui explosent avec l’IA. Un marché dont l’Europe veut sa part.
Il y a dix ans, Intel se lançait le premier dans la photonique sur silicium pour la transmission des données.
Le décollage de ce marché confirme aujourd’hui son intuition.
«Avec les nouveaux besoins de l’intelligence artificielle, les datacenters deviennent toujours plus grands et plus denses : il faut connecter des milliers de serveurs et de GPU [les cartes graphiques servant à l’entraînement des modèles].
Or si l’on veut traiter des volumes beaucoup plus grands de données, plus rapidement et avec un meilleur rendement énergétique, la photonique sur silicium est la bonne solution», appuie Sylvie Gellida, la responsable de la division optique et radiofréquence chez STMicroelectronics.
Cette technologie consiste à intégrer des composants optiques (guide d’onde, modulateur de signal, photodétecteur...) sur une puce en silicium.
Elle marie donc le meilleur des deux mondes.
D’un côté les atouts de l’optique pour la transmission de l’information, que la lumière véhicule à une vitesse inégalée. De l’autre les méthodes de fabrication éprouvées de la microélectronique, qui produisent les puces dans de grands volumes avec de hauts rendements. Dans les datacenters, les puces photoniques créent de nouvelles générations d’émetteurs-récepteurs optiques.
Ces modules enfichables sont déjà adoptés en masse pour les datacoms, la transmission des données à l’échelle du mètre au kilomètre dans un datacenter ou un cluster d’IA. Ils permettent de passer des interconnexions électriques en cuivre à des interconnexions optiques.
Mais «quand on atteint des débits de 800 gigabits par seconde, les modules classiques montrent vite leurs limites, car ils agrègent des composants optiques discrets sans les intégrer dans une puce», relève Yannick Paillard, le directeur commercial de la start-up grenobloise Scintil Photonics.
Grâce aux puces photoniques, ces modules deviennent plus compacts, moins coûteux et plus performants, en bande passante comme en efficacité énergétique.
Selon le cabinet LightCounting, cette technologie capterait une partie de la croissance du marché : entre 2022 et 2028, alors que les ventes d’émetteurs-récepteurs optiques devraient passer de 12 à 21 milliards de dollars, la part des modules fondés sur la photonique sur silicium doublerait et atteindrait 44 %. Intel en a vendu cinq millions entre 2016 et 2022, selon la revue «Industrie & Technologies».
Avant que ses difficultés financières le poussent à céder sa division en 2023.
En 2025, STMicroelectronics a lancé sa technologie propriétaire. Le groupe franco-italien pilote aussi le projet StarLight, dévoilé en septembre et soutenu par la Commission européenne.
Avec lui, l’Europe prend une place de leader dans le domaine.
Les 24 entreprises et acteurs de la recherche derrière StarLight – dont le CEA-Leti, l’isérois Soitec, l’allemand Sicoya, mais aussi l’américain Nvidia, leader mondial des GPU – visent à proposer de premières solutions applicatives d’ici à 2028. En s’appuyant sur les usines en 300 mm de ST, les plus modernes.
Interconnecter les GPU en fibre
Aux défis d’industrialisation s’ajoutent ceux d’innovation.
L’un des axes du programme concerne de nouveaux matériaux, à intégrer au silicium afin de doubler la capacité de transmission de données par fibre.
Avec toujours le même enjeu : « préserver l’efficacité énergétique du datacenter, afin que l’augmentation importante du volume de données transmises n’entraîne pas une hausse significative de la consommation d’énergie », souligne Sylvie Gellida.
Car les datacenters sont des ogres énergétiques en devenir.
Selon le Shift Project, leur consommation électrique mondiale pourrait tripler d’ici à 2030, pour atteindre 1500 térawattheures (TWh).
Pour contenir cette explosion, la photonique sur silicium apparaît comme incontournable. Avec son faible encombrement et son efficacité énergétique, elle fera aussi passer les connexions électriques en cuivre à celles optiques sur les très courtes distances, et même entre GPU. Réduisant ainsi leur consommation.
C’est sur cette dernière application que Scintil Photonics a choisi de positionner sa technologie unique.
« Une puce photonique a toujours besoin d’une source laser pour envoyer des données dans une fibre, décrit Yannick Paillard.
Tous les autres acteurs ajoutent ce laser au moment de l’assemblage ou du packaging.
Nous sommes les seuls à savoir intégrer ce matériau III-V dans la puce en silicium grâce à une technologie de collage moléculaire issue du CEA. » L’intérêt : une précision inégalée dans l’alignement des lasers, ce qui augmente le débit de transmission de données sans perdre en efficacité. De quoi intéresser Nvidia, qui a participé au dernier tour de table de la pépite.
Avec l’essor de l’IA, le marché des GPU et de leur interconnexion est immense. AMD, Google, Meta mais aussi Huawei et Alibaba travaillent sur des puces concurrentes à celles de Nvidia, et donc sur la photonique sur silicium.
Avec ses produits en tests chez de premiers clients, Scintil Photonics estime avoir deux à trois années pour se préparer à ce nouveau marché. Qui demandera de livrer des millions de produits d’un seul coup.
