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La première puce CMOS 25/100 Gb à faible coût et basse consommation pour les centres de données

Avec la croissance exponentielle des données générées par les dispositifs numériques haute performance compatibles avec la large bande, les centres de données sont devenus une infrastructure moderne critique. Le niveau de leur consommation d’énergie n’étant pas tenable à long terme, il devient toutefois indispensable de trouver de nouvelles solutions.

Économie numérique

Il a été calculé que les centres de données consomment environ 200 térawatts-heures d’électricité chaque année, ce qui équivaut à 1 % de la demande mondiale. Selon certaines prévisions, cette demande devrait augmenter d’au moins 7 % au cours de la prochaine décennie. Afin de pallier l’inefficacité énergétique actuelle des centres de données, le projet MERCURY, soutenu par le fonds de l’Instrument PME de l’UE, a mis au point un prototype de puce à circuit intégré (CI) révolutionnaire et en a démontré l’efficacité. MERCURY a eu recours, pour la première fois, à la technologie CMOS aux normes industrielles sur des plaquettes 12 pouces pour commander des modules émetteurs/récepteurs optiques (OTM) de 25 gigaoctets par secondes (Gbps) dans un format 4 x 25 Gb. Créer des ponts entre l’optique et l’électrique Pour un débit de données de 25 Gb ou plus, typique des communications actuelles à large bande passante, si la distance que doivent parcourir les signaux sur un circuit imprimé électrique est supérieure à quelques pouces, ces signaux faiblissent et se perdent rapidement dans le «bruit» environnant. Les CI intégrant des émetteurs/récepteurs optiques permettent de contourner cette limite en utilisant des fibres optiques à faibles pertes pour émettre et recevoir des signaux. Ces puces utilisent souvent des transistors bipolaires à base de silicium-germanium (BiCMOS SiGe). Tout en permettant un traitement très rapide, ce dispositif réduit l’efficacité énergétique dans la mesure où les transistors SiGe fonctionnent avec des tensions supérieures à celles des transistors CMOS. L’innovation apportée par MERCURY consiste à convertir les signaux optiques en signaux électriques, et réciproquement, en utilisant la technologie CMOS. Pour MERCURY, côté émission, les données numériques entrantes sont re-programmées, avec des signaux de commande analogiques de pointe créés pour faire fonctionner la composante laser. Côté réception, une photodiode convertit la lumière entrante en courant photo-électrique de faible intensité, qui est ensuite amplifié au cours de plusieurs étapes jusqu’à atteindre des niveaux numériques, en extrayant à la fois l’horloge (qui coordonne le processus numérique) et les signaux de données. «À titre d’exemple, un centre de données récemment construit à Dublin a été équipé d’un million d’émetteurs-récepteurs optiques. Avec notre technologie, chaque OTM utiliserait un demi à un watt de moins. Une fois incluse l’inefficacité de la climatisation, cela correspond à au moins 5 MW d’électricité totale économisée, soit l’équivalent de 1 600 bouilloires qui fonctionneraient en continu, sur un seul site!», explique le coordinateur du projet, M. Gary Steele. Avec leurs 12 pouces, les plaquettes CMOS de MERCURY permettent de réaliser plus d’économies d’échelle que les plaquettes SiGe 8 pouces. Tout en réduisant les coûts, avec une consommation électrique diminuée de moitié par rapport aux produits concurrents, et sans perte de performance ni de fonctionnalité, la technologie MERCURY semble en mesure de faire de l’ombre aux BiCMOS, ce qui est déjà le cas pour des débits de données inférieurs. Une demande croissante pour des centres de données efficaces d’un point de vue énergétique Les investissements dans les centres de données européens augmentent et, d’ici 2020, ces centres de données européens consommeront plus de 100 milliards de kWh d’énergie chaque année. Le Code de conduite pour l’efficacité énergétique dans les centres de données de la CE a été conçu pour remédier à cette situation peu viable sans pour autant compromettre la rapidité et la capacité mémorielle des centres de données. Remplacer les BiCMOS par des CMOS de MERCURY réduit la consommation d’énergie et les pertes de chaleur des équipements des centres de données et va donc dans ce sens. En outre, M. Steele ajoute: «La norme 25 Gbps est également la solution dominante pour le développement des téléphones cellulaires 5G. Étant donné que les débits de données des consommateurs sont bien supérieurs à ceux de la 3G et de la 4G, et qu’il y aura bien plus de stations de base, les économies d’électricité que permet MERCURY s’appliquent également dans ce domaine. Nous avons calculé que les volumes de production pourraient atteindre jusqu’à 50 millions d’unités par an, avec un total mondial s’approchant de 250 millions.» Après avoir pleinement démontré sa fonctionnalité, puis effectué ensuite quelques améliorations de performance (notamment pour un futur essai de prototype), l’équipe teste actuellement en laboratoire les premiers échantillons afin d’anticiper une production de masse complète.

Mots‑clés

MERCURY, 5G, circuits intégrés, émetteurs-récepteurs optiques, CMOS, BiCMOS, centres de données, débits de données, transistors bipolaires, efficacité énergétique, vert, durable

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