L'évolution des modules optiques : propulser l'avenir des centres de données et au-delà

À l'ère de l'intelligence artificielle (IA), du cloud computing et du big data, la demande de transmission de données haute performance n'a jamais été aussi forte. Les centres de données, cœurs de cette révolution numérique, sont chargés de traiter et de transférer d'énormes volumes de données à des vitesses sans précédent. Au cœur de cette infrastructure se trouvent les modules optiques : des dispositifs ingénieux qui convertissent les signaux électriques en signaux optiques, permettant ainsi une communication de données ultra-rapide via des câbles à fibre optique. Face à la complexité croissante des modèles d'IA et à l'explosion de la taille des ensembles de données, les interconnexions traditionnelles en cuivre deviennent obsolètes, incapables de répondre aux exigences de bande passante et de latence des applications modernes. C'est là qu'interviennent les modules optiques, qui exploitent la puissance de la lumière pour transmettre efficacement des données sur de longues distances, ouvrant la voie à la prochaine génération d'innovations technologiques. Cet article explore en profondeur l'univers des modules optiques, explorant leur évolution du 400 G au 3.2 T, et décryptant les technologies de pointe qui façonnent leur avenir. Nous examinerons les optiques linéaires enfichables (LPO) et les optiques de réception linéaires (LRO) comme alternatives économiques et à faible consommation d'énergie, discuterons des solutions de refroidissement avancées permettant de relever les défis thermiques des modules haute vitesse et explorerons des paradigmes révolutionnaires tels que les optiques co-packagées (CPO), les entrées/sorties optiques (OIO) et la commutation de circuits optiques (OCS). Enfin, nous mettrons en lumière la photonique sur silicium, technologie fondamentale qui va révolutionner les interconnexions des centres de données.

Modules optiques à haut débit : de 400 G à 3.2 T et au-delà

Comprendre les modules optiques : les bases

Les modules optiques sont les héros méconnus de la communication de données moderne. Ces dispositifs compacts servent d'interface entre les systèmes électriques (comme les commutateurs et les serveurs) et les réseaux de fibre optique. À l'intérieur de chaque module, un laser génère de la lumière, un modulateur code les données sur cette lumière, et un photodétecteur à la réception convertit le signal optique en signal électrique. Ce processus permet aux données de parcourir de longues distances avec un minimum de pertes, contrairement aux câbles en cuivre, qui souffrent de résistance électrique et de dégradation du signal. Les modules optiques sont omniprésents dans les centres de données, les télécommunications et même dans des domaines émergents comme les véhicules autonomes, où un transfert de données fiable et à haut débit est indispensable.

Le rôle des modules optiques dans l'informatique moderne

Les modules optiques sont les héros méconnus de la communication de données. Ces dispositifs relient les systèmes électriques (comme les serveurs et les commutateurs) aux réseaux de fibre optique, convertissant les signaux électriques en impulsions lumineuses qui se propagent avec une perte minimale sur de longues distances. Contrairement aux câbles en cuivre, qui souffrent de résistance électrique et de dégradation du signal, les modules optiques permettent une communication à large bande passante et à faible latence, essentielle à l'entraînement de l'IA, aux services cloud et aux réseaux 5G. Un module typique intègre un laser, un modulateur et un photodétecteur, fonctionnant en synergie pour coder, transmettre et décoder les données.

La marche incessante de la vitesse

L'évolution des débits des modules optiques témoigne de l'ingéniosité humaine et du rythme effréné des progrès technologiques. Il y a seulement dix ans, les modules 100G (100 gigabits par seconde) constituaient le summum de l'innovation, propulsant les premières infrastructures de cloud computing. Aujourd'hui, le 400G est devenu la référence des centres de données hyperscale, répondant aux besoins en bande passante de l'entraînement de l'IA et de l'analyse en temps réel. Mais l'industrie ne s'arrête pas là.Modules 800G sont déjà en production, 1.6 T (1.6 térabits par seconde) est sur le point d'être commercialisé, et des prototypes de 3.2 T illuminent les laboratoires de recherche. À titre de comparaison, un module de 3.2 T peut transmettre 3.2 billions de bits de données par seconde, soit suffisamment pour diffuser simultanément des milliers de films en ultra-haute définition. Cette croissance exponentielle n'est pas seulement une question de fierté ; c'est une réponse directe aux besoins en données de l'IA et du big data. L'entraînement d'un modèle de langage volumineux, par exemple, nécessite de déplacer des pétaoctets de données entre les GPU, la mémoire et le stockage en quelques secondes. Les interconnexions traditionnelles ne peuvent tout simplement pas suivre, ce qui fait des modules optiques à haut débit la clé de voûte de l'informatique de nouvelle génération.

Les technologies qui alimentent la révolution de la vitesse

Atteindre ces vitesses fulgurantes nécessite une symphonie de technologies avancées, chacune repoussant les limites de la physique et de l'ingénierie :

• Photonique sur silicium : Cette approche révolutionnaire intègre des composants optiques, tels que des lasers et des modulateurs, sur des puces de silicium, exploitant ainsi l'écosystème mature de fabrication de semi-conducteurs. Économique, évolutive et permettant une intégration plus étroite avec les circuits électroniques, elle est un élément clé des modules optiques à haut débit.
• Lasers modulés par électroabsorption (EML) : Les EML sont des lasers hautes performances capables de s'allumer et de s'éteindre à des vitesses incroyables, ce qui les rend idéaux pour les applications 800 G et 1.6 T. Leur capacité à gérer une bande passante élevée avec une faible consommation d'énergie est un atout essentiel des réseaux optiques modernes.
• Niobate de lithium en couches minces (TFLN) : Matériau émergent aux propriétés optiques exceptionnelles, le TFLN est prometteur pour les applications à très haut débit. Ciena a par exemple récemment démontré une transmission à 3.2 Tb/s en bande O grâce aux modulateurs TFLN 140 GHz d'HyperLight, offrant un aperçu de l'avenir des communications optiques.
• Formats de modulation avancés : des techniques comme la PAM6 (modulation d'amplitude d'impulsion à 6 niveaux) à 174 Gbauds permettent aux ingénieurs d'intégrer davantage de données dans chaque impulsion lumineuse, augmentant ainsi le débit sans nécessiter de matériel plus rapide. Ceci est essentiel pour passer de 1.6 T à 3.2 T et au-delà.

Pour 200G par voie (utilisé dans 1.6T SR8, 800G DR4, et autres), la chaîne d'approvisionnement est robuste, avec des EML et de la photonique sur silicium en production de masse, des TFLN et des VCSEL en prototypage, et des DSP, TIA et photodétecteurs prêts à être déployés. Pour 400 G par voie (visant 3.2 T), la photonique sur silicium est le principal candidat, bien que les plateformes matérielles et les formats de modulation restent en discussion.

Tendances du marché : un boom de la bande passante

Le marché des modules optiques haut débit est en pleine expansion, porté par l'appétit insatiable de l'IA, du cloud computing et des réseaux 5G. Les analystes prévoient que d'ici 2025, la demande mondiale de modules 800G atteindra 20 millions d'unités par an, tandis que celle de 400G se maintiendra à un niveau soutenu de 17 millions d'unités. À plus long terme, les modules 1.6T devraient entrer en production de masse en 2026, captant 30 % du marché d'ici 2030. Parallèlement, les modules 3.2T, encore en phase de prototypage, devraient dominer le segment haut de gamme d'ici le milieu des années 2030. Pour 200G par voie – élément constitutif des configurations 1.6T et 800G –, la chaîne d'approvisionnement est mature, avec l'EML et la photonique silicium en production à grande échelle. Les technologies émergentes comme les TFLN et les VCSEL (lasers à cavité verticale émettant par la surface) sont encore en développement, mais recèlent un potentiel immense. À 400 G par voie, la base du 3.2 T, la photonique sur silicium est la favorite, bien que des débats persistent sur les meilleures plateformes de matériaux et les meilleurs schémas de modulation.

Défis à l'horizon

L'adaptation à ces vitesses n'est pas sans difficultés. La consommation électrique est un problème majeur : les modules de 1.6 T consomment environ 30 watts, tandis que les modules de 3.2 T dépassent 40 watts, générant une chaleur importante. La complexité de fabrication augmente également, car des tolérances plus strictes et des matériaux exotiques font grimper les coûts de production. Pour résoudre ces problèmes, l'industrie se mobilise autour de nouvelles normes, comme la norme IEEE 802.3dj pour 200 G par voie, et investit dans des techniques de refroidissement et de modulation innovantes. La course vers 3.2 T et au-delà est autant une question d'efficacité que de vitesse.

LPO et LRO : l'efficacité au service de l'accessibilité

L'essor de l'optique linéaire

Face aux contraintes de consommation et de coût des centres de données, deux conceptions innovantes de modules optiques ont vu le jour : les modules optiques linéaires enfichables (LPO) et les modules optiques linéaires de réception (LRO). Les modules optiques traditionnels s'appuient sur des processeurs de signaux numériques (DSP) pour corriger les distorsions du signal dues au bruit et à la dispersion. Bien qu'efficaces, les DSP sont gourmands en énergie, consommant plus de 60 % de l'énergie d'un module et augmentant la latence. Les modules LPO et LRO adoptent une approche différente, utilisant des composants analogiques linéaires pour simplifier le traitement du signal, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie et les coûts, tout en offrant une latence ultra-faible.

• LPO (Optique linéaire enfichable) : Conçu pour les interconnexions à courte portée (par exemple, au sein d'un rack ou entre des racks adjacents), le LPO élimine complètement les DSP. Il en résulte des économies d'énergie allant jusqu'à 40 %, une latence de seulement 1 nanoseconde et des coûts de fabrication réduits, ce qui est idéal pour les charges de travail d'IA sensibles à la latence.
• LRO (Linear Receive Optics) : Solution hybride, LRO applique un traitement linéaire uniquement côté réception, ce qui la rend compatible avec les émetteurs DSP. Cette flexibilité lui permet de s'adapter à un large éventail d'applications, notamment les interconnexions moyenne distance jusqu'à 2 kilomètres.

Pourquoi LPO et LRO sont importants

Les avantages de ces technologies sont convaincants :

• Efficacité énergétique : en abandonnant les DSP, les LPO et LRO réduisent considérablement la consommation d'énergie, s'alignant ainsi sur la volonté du secteur de promouvoir des centres de données plus écologiques.
• Économies de coûts : des conceptions simplifiées signifient moins de composants et des coûts de production inférieurs, une aubaine pour les opérateurs hyperscale gérant des milliers de modules.
• Faible latence : avec une latence de l'ordre de la nanoseconde, ces modules sont idéaux pour les applications en temps réel telles que le trading financier et l'inférence de l'IA.

Standardisation et interopérabilité

Les LPO et LRO sont encore en phase de maturation, et la normalisation est une étape cruciale vers une adoption généralisée. L'Optical Internetworking Forum (OIF) mène la danse, avec des démonstrations lors de l'OFC 2025 mettant en avant l'interopérabilité entre les modules LPO, LRO et les modules DSP traditionnels. Le LPO respecte les spécifications CEI-112G-LINEAR PAM4 de l'OIF, garantissant des performances constantes, tandis que les normes d'interface électrique du LRO devraient être finalisées en 2025. Ces efforts ouvrent la voie à une intégration transparente dans les réseaux existants.

Impact dans le monde réel : études de cas

Les leaders de l’industrie adoptent déjà le LPO et le LRO :

• Alibaba Cloud : en avril 2025, Alibaba a déployé des modules LPO DR400 4G dans ses centres de données mondiaux, prouvant leur viabilité pour les applications à grande échelle et à large bande passante.
• InnoLight et FiberMall : lors de l'OFC 2025, ces entreprises ont dévoilé des modules LRO de 1.6 T, démontrant leur potentiel pour les clusters d'IA de nouvelle génération.

Alors que les tests se poursuivent et que les normes se solidifient, LPO et LRO sont sur le point de redéfinir l’économie des réseaux optiques.

Solutions de refroidissement : maîtriser la chaleur des modules à grande vitesse

Le dilemme de la chaleur

Les modules optiques haute vitesse sont une arme à double tranchant : des vitesses plus élevées impliquent davantage de puissance, et davantage de puissance implique davantage de chaleur. Un module de 1.6 T consomme environ 30 watts, tandis qu'un module de 3.2 T dépasse les 40 watts. Cette chaleur pose de multiples défis :

• Densité de puissance : les petits modules concentrent la chaleur dans de petites zones, risquant ainsi une surcharge thermique.
• Diaphonie thermique : la chaleur d’un module peut dégrader les performances des composants à proximité.
• Impact sur le centre de données : des milliers de modules chauds augmentent les coûts de refroidissement, ce qui nuit à l'efficacité.

Le refroidissement par air traditionnel, qui repose sur des ventilateurs et des dissipateurs thermiques, atteint ses limites, obligeant l’industrie à repenser la gestion thermique.

Refroidissement liquide : une révolution cool

Le refroidissement liquide s'impose comme la solution de référence pour les modules optiques haute vitesse. Contrairement à l'air, les liquides présentent une conductivité thermique supérieure, absorbant et dissipant efficacement la chaleur. Parmi leurs avantages :

• Refroidissement de précision : les liquides peuvent cibler des points chauds spécifiques, comme les diodes laser ou les modulateurs.
• Efficacité énergétique : réduit la puissance de refroidissement globale, diminuant ainsi le PUE (efficacité énergétique) du centre de données.
• Évolutivité : prend en charge les configurations denses et haute puissance des futurs clusters d'IA.

Technologies de refroidissement de pointe

Plusieurs innovations font progresser le refroidissement liquide :

• Matériaux à haute conductivité thermique : les chambres en cuivre et à vapeur remplacent les boîtiers en aluminium, augmentant ainsi le transfert de chaleur.
• Matériaux à faible résistance de contact : les revêtements en carbone de type diamant (DLC) minimisent la résistance thermique entre les composants.
• Dissipateurs thermiques optimisés : les conceptions Designs+ avec plus d'ailettes ou des géométries avancées améliorent l'efficacité du refroidissement.

Des approches complémentaires, telles que de meilleurs matériaux d'interface thermique (TIM) et des conceptions à faible consommation d'énergie (par exemple, LPO/LRO), réduisent encore davantage la production de chaleur.

Progrès de l'industrie

• Accelink et Celestica : Lors de l'OFC 2025, Accelink a testé une plateforme de refroidissement par immersion avec le commutateur DS5000 de Celestica, prouvant la fiabilité du refroidissement liquide pour les modules 1.6T.

À l’approche des 3.2 T, le refroidissement liquide sera essentiel pour assurer le bon fonctionnement des centres de données.

Optiques co-packagées (CPO) : redéfinir la bande passante et l'efficacité

Qu'est-ce que le CPO ?

Dans les configurations traditionnelles, les modules optiques se connectent aux ASIC de commutation via des pistes électriques sur PCB. À haut débit, ces pistes deviennent des goulots d'étranglement, gaspillant de l'énergie et limitant la bande passante. Optiques co-packagées (CPO) résout ce problème en intégrant des modules optiques directement aux ASIC, éliminant ainsi les longs chemins électriques et débloquant de nouveaux niveaux de performances.

Pourquoi le CPO est important

Le CPO offre des avantages transformateurs :

• Efficacité énergétique : la solution CPO de NVIDIA réduit la consommation d'énergie de 20 pJ/bit à 5 pJ/bit, soit une amélioration de 3.5 fois.
• Densité : prend en charge plus de ports dans moins d'espace, idéal pour les réseaux hyperscale pilotés par l'IA.

Solutions techniques

• Photonique sur silicium : parfaite pour les distances inférieures à 2 km, offrant une intégration et une évolutivité élevées.
• VCSEL : rentables pour les liaisons à courte portée (< 30 m), bien que la fiabilité reste un travail en cours.

Jalons de l'industrie

• NVIDIA : prévoit de lancer son commutateur CPO Spectrum-X en 2026.
• Broadcom : son commutateur Tomahawk51.2 de 5 Tbps, utilisant la photonique silicium BaillySCIP, vise 2026.
• Innovateurs chinois : Ruijie Networks et H3C testent des prototypes CPO.

Les défis à venirL'intégration complexe 2.5D/3D et le remplacement délicat des modules du CPO pourraient augmenter les coûts, mais son potentiel est indéniable.

Entrée/Sortie optique (OIO) : une nouvelle ère pour le calcul et le stockage

Définition de l'OIO

L'entrée/sortie optique (OIO) intègre des émetteurs-récepteurs optiques dans des boîtiers de puces, permettant des liaisons optiques directes entre les processeurs, la mémoire et le stockage. En contournant les conversions au niveau de la carte, l'OIO réduit considérablement la latence et la consommation d'énergie.

Applications et avantages

OIO brille dans les architectures évolutives, comme les clusters d'IA :

• Ayar Labs : sa puce TeraPHY OIO offre 8 Tbps avec 1 Tbps par port.
• Avicena : utilise des microLED pour l'intégration GPU 1 To/s.
• IA céleste : atteint 4 pJ/bit avec des modulateurs au germanium.

Parcours technologiques

• Photonique sur silicium : mature et polyvalente.
• MicroLED : bande passante élevée, stade précoce.

Haies

OIO est confronté à des défis d'intégration et de rendement 3D, mais promet de révolutionner les réseaux informatiques.

Commutation de circuits optiques (OCS) : rationalisation des réseaux

Qu'est-ce que l'OCS ?

OCS utilise des commutateurs optiques pour créer des chemins lumineux directs, contournant la commutation électrique par paquets (EPS) pour une latence et une puissance inférieures.

Avantages

• Réduction de la latence : aucun délai de traitement électrique.
• Économies d’énergie : Moins de conversions.
• Exemples : Jupiter de Google et Sirius de Microsoft exploitent OCS.

Mise en œuvre

• MEMS : le commutateur Edge640 de Lucent offre 640 ports duplex avec commutation rapide.

Photonique sur silicium : le fondement de l'innovation optique

La photonique sur silicium fusionne la microélectronique et la photonique, stimulant ainsi les avancées optiques. Son marché devrait passer de 226 millions de dollars en 2024 à 644 millions de dollars en 2029. Intel, InnoLight et TSMC dominent le marché avec des plateformes telles que les lasers DFB 1310 nm d'Intel et l'intégration 65D/2.5D 3 nm de TSMC. Les recherches futures sur les conceptions épitaxiales et monolithiques amélioreront l'évolutivité.

Conclusion

Éclairer la voie à suivre : de 400 G à 3.2 T, les modules optiques évoluent pour répondre aux exigences de l'IA et du Big Data. LPO, CPO, OIO et la photonique sur silicium ouvrent de nouvelles perspectives, grâce à un refroidissement et un OCS avancés. À mesure que ces technologies mûriront, elles favoriseront un avenir numérique plus rapide et plus efficace.