Optimisation du système de transmission en fonction du débit unitaire

Nous cherchons à réaliser l’interconnexion optique la moins énergivore tout en garantissant un débit total constant de 160 GB/s. Nous calculons la puissance consommée par le système pour différents débits unitaires ce qui nous amène à modifier le nombre de canaux et/ou de liens dans chaque cas. La démarche est identique au calcul de la section 6.1.2 effectué à 10 Gb/s. Cependant, certaines des équations de calcul de puissance sont légèrement modifiées pour prendre en compte le changement de débit unitaire.

Consommation du SerDes : un facteur correctif est ajouté en fonction du débit unitaire. On estime que l’énergie du SerDes varie proportionnellement au débit. La puissance consommée devient : = pJ bit⁄ × × × ×

Laser 5% SerDes 35% Tx 18% Rx 7% Tuning 35%

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Consommation du TX : un facteur correctif est également ajouté en fonction du débit unitaire. En effet, le design du driver varie selon le débit : plus le débit souhaité est important et plus les transistors composant le driver seront grands impliquant une puissance consommée plus importante. Ceci est illustré dans notre étude du Chapitre 4 détaillant la conception d’un driver pour un débit de 1λ Gb/s et pour 25 Gb/s. En effet les Tableau 13 (a) et (b) montrent que le driver 19G consomme 0.25 pJ/bit contre 0.30 pJ/bit pour le driver 25G. La puissance consommée par le transmetteur est : =

. pJ bit⁄ × × × × _Gb/ .

Consommation du RX : l’énergie consommée par les TIA semble augmenter légèrement lorsque le débit augmente d’après l’étude réalisée par Robert Polster du CEA-LETI [149]. Cependant, le principal impact du débit sur le récepteur concerne sa sensibilité. En effet, Mostafa G. Ahmed montre que le design des amplificateurs est dicté par le compromis entre son gain, sa bande passante et le bruit en courant [166]. En particulier, la sensibilité du récepteur dépend directement du bruit et des ISI introduites par le TIA. Elle se dégrade quand le débit augmente, ce qui nécessite alors d’utiliser un circuit d’égalisation (equalizer) pour compenser la faible bande passante et / ou les ISI. La puissance consommée par le récepteur comprendra ainsi la somme des puissances du TIA et de l’égaliseur. La loi liant l’énergie du récepteur et le débit est toutefois difficile à donner et nous utiliserons la même approximation que pour le transmetteur : =

. pJ bit⁄ × × × × _Gb/.

Consommation des lasers : comme nous venons de le voir, l’OMA minimale détectable par le récepteur dépend du débit de transmission. Ainsi la puissance laser requise pour chaque canal est également amenée à varier en fonction du débit unitaire. Nous faisons l’hypothèse que l’OMA varie entre -22 dBm à 2 Gb/s et -14 dBm à 40 Gb/s, ce qui revient à considérer que l’énergie consommée par les lasers diminue de 0.48 pJ/bit à 0.15 pJ/bit entre 2 et 10 Gb/s puis se stabilise autour de 0.15 pJ/bit lorsque le débit augmente. Par ailleurs, un facteur correctif est ajouté en fonction du nombre d’anneaux du lien WDM. En effet, plus les anneaux sont nombreux et plus l’espace inter-canal est réduit ce qui conduit à l’augmentation de la diaphonie (crosstalk) entre les canaux. La diaphonie sera étudiée plus précisément dans le paragraphe 6.3. Elle amène à considérer une pénalité supplémentaire dans le bilan de liaison d’un lien, d’où des pertes de transmission plus ou moins importantes selon le nombre d’anneaux. La puissance consommée par les lasers devient :

= × × × × .

Consommation du système de tuning : la puissance des résistances chauffantes dépend uniquement du nombre d’anneaux mis en jeu dans l’interconnexion, par contre la puissance du circuit d’asservissement dépend du débit. Nous introduisons un facteur correctif comme pour le SerDes. La puissance consommée devient : = mW × ×

+ . pJ/bit × × × × _Gb⁄.

L’évolution de la consommation d’énergie du système complet en fonction du débit unitaire est illustrée sur les graphes de la Figure 6.6. Le débit optimal est autour de 10 à 15 Gb/s. En effet, un débit trop petit est synonyme d’un grand nombre d’anneaux pour atteindre le débit souhaité de 160 GB/s, ce qui entraîne l’augmentation de la consommation des résistances chauffantes dont le nombre augmente également. Les lasers consommeront également davantage car les pertes sont plus importantes du fait du nombre important de canaux et ne sont pas compensées par l’amélioration de la sensibilité du récepteur. Au contraire, un débit trop grand verra les systèmes électroniques (drivers, TIA et SerDes) se complexifier d’où l’augmentation de leur consommation.

A 10 Gb/s, l’énergie consommée est de 3 pJ/bit. L’interconnexion optique atteint donc un niveau d’efficacité similaire à un système électrique tel que proposé par Micron (mémoire HMC) ou par AMD (mémoire HBM) (cf. section 1.2.2). De plus, la consommation d’un lien WDM est équivalente à celle d’un lien SDM à base de modulateurs de Mach-Zehnder comme celui présenté au Chapitre 5. En effet, le surplus de consommation des lasers et des transmetteurs dans un lien SDM, dû à des pertes de transmission plus importantes et une capacité de charge des drivers plus élevée, est équilibré par la consommation de puissance nécessaire au contrôle des anneaux dans un lien WDM. Même si la répartition de la puissance consommée dans les différents blocs du lien électro-optique n’est pas identique, globalement les deux systèmes permettent de concurrencer les liens processeur-mémoire actuels. La solution optique bénéficie toutefois d’une certaine simplicité de conception grâce au multiplexage spatial ou par longueur d’onde. Elle offre également de nombreuses possibilités d’amélioration. Par exemple, les caractéristiques des composants optiques peuvent être optimisées pour respecter une certaine spécification. C’est le travail qui a été mené dans la section 5.1.3 pour optimiser le taux d’extinction

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des modulateurs de MZ. Le même type d’optimisation peut également être réalisé pour des modulateurs en anneau. D’autres études de la littérature prennent en compte la variation des pertes dans un anneau [158] ou encore l’alignement des canaux par rapport aux longueurs d’onde du laser [154].

(a) (b)

Figure 6.6. Optimisation de l'efficacité énergétique en fonction du débit unitaire pour atteindre un débit total de 160 GB/s

Pour conclure cette étude système d’une interconnexion optique, nous rappelons que le budget de puissance est basé sur de nombreuses hypothèses qui peuvent s’avérer plus ou moins correctes. Ainsi ce bilan peut être amené à varier pour prendre en compte les spécificités d’un système réel, comme par exemple l’efficacité de conversion du laser ou le BER souhaité pour le récepteur. Toutefois, cette analyse montre qu’un système optique est compétitif vis-à-vis d’une solution électrique et permet d’atteindre facilement des capacités de transmission de données très élevées. De plus, l’amélioration des performances des technologies CMOS avancées permettra à terme de réduire la consommation de l’EIC (driver et TIA). Ainsi le débit optimal de fonctionnement aura tendance à augmenter et l’énergie consommée à diminuer. Notre démonstrateur sera donc conçu avec l’objectif d’un débit unitaire de 20 Gb/s et 8 liens à 16 canaux pour une bande passante totale de 320 GB/s (2.5 Tb/s).

L’aspect de la taille des circuits n’a pas été abordé dans cette étude alors que cet élément doit également être pris en compte pour la conception d’un interposeur photonique. Cependant, comme le lien à base de MZM semble respecter les contraintes de surface (section 5.1.2), nous pensons qu’un lien WDM satisfera facilement cette problématique car l’anneau résonant bénéficie d’une empreinte bien plus compacte qu’un MZM. L’enjeu sera même dans ce cas de disposer d’un faible espacement entre les bumps connectant l’EIC et le PIC. Nous donnons en exemple à la Figure 6.7 le layout réalisé par Yvain Thonnart dans le cadre de son transceiver implémentant un système d’asservissement et de réattribution des longueurs d’onde des anneaux résonants [83]. Nous pouvons constater que le circuit optique n’est pas particulièrement contraint par la surface. Par contre, la difficulté se situera plutôt du côté de l’EIC car il faudra être capable d’implémenter le driver, le TIA et le circuit d’asservissement dans une surface très restreinte se superposant avec l’empreinte des bumps. Ceci montre également l’intérêt d’utiliser des nœuds CMOS avancés afin de réduire la taille des transistors.

Figure 6.7. Layout du PIC du transceiver réalisé par Yvain Thonnart (CEA-LETI) [167]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 5 10 12 16 20 40 En erg ie co n so m m ée (p J/b it )

Débit unitaire, par anneau (Gb/s)

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 2 5 10 12 16 20 40 P art d e la co n so m m ati o n (% ) Débit unitaire (Gb/s) Laser TRx + SerDes Tuning

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