Une recherche étudie l’impact thermique des puces photoniques et électroniques empilées en 3D

Les progrès récents de l’IA et plus particulièrement les grands modèles de langage tels que ChatGPT ont mis à rude épreuve les centres de données. Les modèles d'IA nécessitent d'énormes quantités de données pour être entraînés, et pour déplacer les données entre les unités de traitement et la mémoire, des liens de communication efficaces deviennent nécessaires.

Pour les communications longue distance, la fibre optique est la solution privilégiée depuis des décennies. Pour les communications intra-centre de données à courte distance, l'industrie commence désormais également à adopter la fibre optique en raison de ses excellentes performances par rapport aux liaisons électriques classiques. Les développements technologiques récents permettent même désormais de passer de l'interconnexion électrique à l'interconnexion optique pour de très petites distances, comme la communication entre puces au sein d'un même boîtier.

Cela nécessite une conversion du flux de données du domaine électrique vers le domaine optique, ce qui se produit dans l'émetteur-récepteur optique. La photonique sur silicium est la technologie la plus largement utilisée pour fabriquer ces émetteurs-récepteurs optiques.

Les dispositifs photoniques actifs à l'intérieur de la puce (modulateurs et photodétecteurs) nécessitent toujours une connexion avec des pilotes électroniques pour alimenter les appareils et lire les données entrantes. L'empilement de la puce électronique (EIC) juste au-dessus de la puce photonique (PIC) au moyen de la technologie d'empilement 3D permet une intégration très étroite des composants avec une faible capacité parasite.

Dans une recherche récemment publiée dans le Journal des microsystèmes optiquesl'impact thermique de cette intégration 3D est étudié.

La conception de la puce photonique consiste en un ensemble de modulateurs en anneau, connus pour leur sensibilité à la température. Pour fonctionner dans un environnement exigeant, tel qu’un centre de données, ils ont besoin d’une stabilisation thermique active. Ceci est mis en œuvre sous la forme de radiateurs intégrés. Pour des raisons d’efficacité énergétique, il est évident que la puissance nécessaire à la stabilisation thermique doit être minimisée.

L'équipe de recherche de la KU Leuven et de l'Imec en Belgique a mesuré expérimentalement l'efficacité du chauffage des modulateurs en anneau avant et après la liaison flip-chip de l'EIC sur le PIC. Une perte relative de -43,3% en efficacité a été constatée, ce qui constitue un impact significatif.

De plus, des simulations 3D par éléments finis ont attribué cette perte à la propagation de la chaleur dans l'EIC. Cette propagation de chaleur doit être évitée car, dans le cas idéal, toute la chaleur générée dans le radiateur intégré est confinée à proximité du dispositif photonique. La diaphonie thermique entre les dispositifs photoniques a également augmenté jusqu'à +44,4 % après la liaison de l'EIC, compliquant le contrôle thermique individuel.

La quantification de l’impact thermique de l’intégration photonique-électronique 3D est essentielle, tout comme la prévention de la perte d’efficacité du chauffage. Pour cette raison, une étude de simulation thermique a été menée dans laquelle les variables de conception typiques ont été modifiées dans le but d'augmenter l'efficacité du chauffage. Il est démontré qu'en augmentant l'espacement entre les µbosses et le dispositif photonique et en diminuant la largeur de la ligne d'interconnexion, la pénalité thermique de l'intégration 3D peut être minimisée.