La commutation optique ultra-rapide au secours des centres de données

Les services de tous les fournisseurs de clouds à très grande échelle comme Microsoft sont alimentés par de grands centres de données qui utilisent des centaines de milliers de serveurs, dont les performances dépendent considérablement de la qualité du réseau qui les relie. Les réseaux actuels des centres de données comprennent plusieurs couches de commutateurs de paquets électriques interconnectés par des fibres optiques. Ces systèmes nécessitent une conversion électrique-optique, ce qui augmente le coût et la consommation d’énergie. Pis encore, l’augmentation des débits de données due à des applications comme l’IA et l’analyse des données pourrait coïncider avec le ralentissement de la loi de Moore. Cela compliquerait considérablement l’évolution efficace des architectures de réseau actuelles reposant sur des puces électriques.

Les commutateurs de circuits optiques (OCS) s’avèrent être une option intéressante pour résoudre les problèmes de bande passante et d’évolution dans les centres de données. Une architecture OCS particulièrement prometteuse est la commutation en longueur d’onde, où différents serveurs sont connectés en utilisant différentes couleurs (longueurs d’onde) de la lumière. Cela permet d’obtenir une architecture de réseau plus plate et de réduire les besoins en commutateurs électriques et en émetteurs-récepteurs optiques. La commutation des différentes longueurs d’onde de la lumière et l’acheminement des signaux vers les serveurs de destination s’effectuent par un élément de commutation, par exemple un prisme en verre à travers lequel les différentes longueurs d’onde peuvent être séparées par dispersion.

Bien que les technologies OCS soient aujourd’hui disponibles dans le commerce, elles sont extrêmement lentes, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas gérer les applications de centres de données de plus en rafale tout en utilisant correctement les ressources du réseau pour réduire les coûts et améliorer la consommation d’énergie.

Dans un nouvel article publié dans Nature Communications, des équipes de recherche dirigées par le professeur Tobias J. Kippenberg de l’EPFL et par le docteur Hitesh Ballani de Microsoft Research Cambridge ont réussi à démontrer l’OCS ultra-rapide pour les centres de données en utilisant l’optique sur puce. Les équipes de recherche collaborent depuis 2018 dans le cadre du Microsoft Swiss Joint Research Center.

Dans l’architecture proposée, les micropeignes optiques servent de source à plusieurs longueurs d’onde fournissant des porteurs cohérents. Des amplificateurs optiques et des réseaux de guides d’ondes à base de matériaux semi-conducteurs effectuent la commutation et séparent ou combinent respectivement les différentes couleurs de la lumière.

Les micropeignes optiques, dont le groupe de Kippenberg a été le pionnier, fournissent des centaines de porteurs espacés de manière équidistante qui conviennent à de nombreuses applications. Les sources de micropeignes sont générées par conversion de fréquence non linéaire à l’aide d’un microrésonateur en nitrure de silicium à l’échelle de la puce, ce qui présente des avantages uniques en termes de puissance et de taille par rapport aux réseaux lasers traditionnellement utilisés comme sources à plusieurs longueurs d’onde.

Les microrésonateurs en nitrure de silicium sont fabriqués à l’aide du procédé de damasquinage photonique. Il s’agit d’une technique compatible CMOS qui se caractérise par une perte de propagation ultra-faible, ce qui est extrêmement important pour fabriquer des sources de micropeignes économes en énergie.

Les amplificateurs optiques à base de phosphure d’indium à l’échelle de la puce, fabriqués à l’aide de fonderies commerciales, permettent de passer d’une couleur de lumière à une autre à une échelle de temps inférieure à la nanoseconde. Cette commutation ultra-rapide entre différents porteurs de micropeignes est primordiale pour répondre aux exigences de performance des applications modernes et futures des centres de données.

Une démonstration de principe effectuée avec des systèmes a montré qu’il est possible de transmettre des données avec une commutation paquet par paquet et donc de répondre aux exigences des applications des centres de données. Enfin, les chercheurs présentent une architecture unique qui utilise un système de peigne central pour améliorer le rendement énergétique et réduire la complexité.

«Les micropeignes à solitons sont utilisés dans de nombreuses applications clés au niveau des systèmes comme le LiDAR, la transmission de données longue distance et la tomographie par cohérence optique, depuis leur découverte en 2014», explique Tobias J. Kippenberg. «L’utilisation possible des micropeignes dans les centres de données pour répondre aux futures exigences de bande passante et réduire la consommation d’énergie renforce l’importance de cette plateforme pour les applications scientifiques et technologiques.»

«Nous avons été fascinés par l’immense potentiel des micropeignes optiques. C’était donc fantastique de pouvoir collaborer avec l’équipe de l’EPFL sur l’application de leur technologie de pointe des micropeignes en nitrure de silicium afin d’assurer l’avenir de nos réseaux de centres de données», déclare Hitesh Ballani. «Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir pour pouvoir exploiter notre architecture à grande échelle, mais l’amélioration rapide des performances des micropeignes et autres dispositifs optiques sur puce signifie que les gains de performance pourraient être encore plus élevés.» Paolo Costa, l’un des co-auteurs de Microsoft Research, a ajouté que «cette collaboration est un très bon exemple de la manière dont nous réinventons l’avenir de nos réseaux, depuis la base, en développant et en exploitant des technologies optiques de pointe avec nos partenaires universitaires.»

Les échantillons de nitrure de silicium ont été fabriqués et cultivés au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL.