Le géant mondial de la fabrication de puces TSMC (TSM.US) mise beaucoup sur les puces photoniques au silicium, la prochaine génération de technologie de pointe en matière de fabrication de puces, pour stimuler la croissance des performances et s'efforcer de rendre les applications d'intelligence artificielle générative telles que ChatGPT plus puissantes. La photonique sur silicium est un domaine technologique émergent qui combine les puces de silicium avec la technologie optique.
TSMC est la plus grande fonderie de puces sous contrat au monde et est actuellement en mesure de produire les puces d'intelligence artificielle (IA) les plus avancées du marché, notamment les puces Nvidia A100/H100. Douglas Yu, directeur de TSMC, a déclaré que la société cherchait actuellement à améliorer encore les performances des puces IA.
"Si nous pouvons fournir un bon système intégré photonique sur silicium... nous pouvons résoudre les problèmes clés en matière d'efficacité énergétique et de puissance de calcul (performance) de l'intelligence artificielle", a déclaré Douglas Yu lors d'un forum avant l'ouverture de l'exposition de l'industrie des semi-conducteurs de Taiwan en Chine le 5 septembre. "Ce sera un nouveau changement de paradigme. Nous sommes peut-être au début d'une nouvelle ère."
Yu a déclaré que le moteur d'un système photonique sur silicium meilleur et plus intégré est l'immense puissance de calcul requise pour exécuter des modèles de langage étendus (LLM) – la technologie qui sous-tend les chatbots IA (tels que ChatGPT et Google Bard) et d'autres applications informatiques d'intelligence artificielle.
Selon les médias, TSMC a formé une équipe de recherche et développement d'environ 200 personnes pour cibler les opportunités commerciales à venir dans les puces photoniques à ultra-haute vitesse au silicium l'année prochaine. La société promeut non seulement activement la technologie des puces photoniques au silicium, mais coopère également avec des clients majeurs tels que Broadcom et Nvidia pour développer conjointement des scénarios d'application centrés sur cette technologie. Selon les médias, cette coopération vise à produire la prochaine génération de puces photoniques en silicium. Les processus concernés peuvent couvrir 45 nm à 7 nm et devraient commencer les applications sur les terminaux dès le second semestre 2024.
L'approche de la loi de Moore à la limite a largement ralenti l'amélioration des performances des puces électroniques traditionnelles. Les puces photoniques au silicium offrent une solution d'amélioration des performances basée sur la technologie de la lumière, qui accélère l'expansion des performances des puces malgré les limites de la technologie des processus nanométriques.
Alors que l'innovation et le développement dans le domaine mondial des puces entrent dans « l'ère post-Moore », les processeurs, qui ont été la principale force de promotion du développement de la société humaine, ne sont plus en mesure de réaliser des percées rapides au niveau « grand nm » en moins de 5 ans comme 22 nm-10 nm. Les avancées ultérieures au niveau nm se heurtent à de nombreux obstacles tels que des coûts de fabrication extrêmement élevés et des difficultés techniques liées au tunnel quantique.
Cependant, avec l'avènement de l'ère de l'IA, cela signifie que la demande mondiale de puissance de calcul connaît une croissance explosive et que la demande de puces extrêmement performantes ne fera qu'augmenter. Cela a également rendu les puces photoniques au silicium, qui combinent la technologie optique et les circuits intégrés à base de silicium, de plus en plus importantes dans le domaine de la fabrication de puces.
La technologie photonique sur silicium est une technologie qui intègre des composants optiques tels que des dispositifs laser avec des circuits intégrés à base de silicium pour obtenir une transmission de données à grande vitesse, des distances de transmission plus longues et une faible consommation d'énergie grâce à la lumière plutôt qu'aux signaux électriques. De plus, il offre une latence plus faible.
La photonique sur silicium est devenue un domaine d'investissement intensif dans l'industrie de la fabrication de puces, avec de nombreuses entreprises technologiques qui envisagent ses utilisations potentielles, des centres de données, des superordinateurs et des équipements de réseau aux voitures autonomes sans conducteur et aux systèmes radar de défense. La technologie photonique sur silicium est actuellement utilisée dans des domaines tels que les communications optiques et la détection optique, en se concentrant sur la transmission, le traitement et le contrôle des signaux optiques ; les applications typiques incluent l'interconnexion des centres de données, le calcul haute performance, les communications par fibre optique, etc.
Par conséquent, les puces photoniques au silicium présentent un potentiel considérable dans les scénarios d’applications à large bande passante et à faible consommation, tels que les communications de données à haut débit et les interconnexions de centres de données. À mesure que le taux de pénétration des services de cloud computing basés sur la technologie d’IA et des applications d’IA générative ChatGPT augmente, la demande de puissance de calcul augmente et les puces photoniques au silicium pourraient jouer un rôle important dans ces domaines.
Les géants de la technologie tels qu'Intel, Cisco et IBM développent depuis longtemps leurs propres solutions photoniques sur silicium et leurs propres systèmes photoniques sur silicium.
Nvidia, actuellement le fabricant de puces le plus valorisé au monde, possède actuellement le plus grand marché de puces qui alimentent les accélérateurs des serveurs de centres de données pour développer/exécuter de grands modèles de langage. La société américaine a précédemment acquis le fournisseur de technologie d'interconnexion par fibre optique Mellanox.
Les données prévisionnelles de l'International Semiconductor Industry Association (SEMI) montrent que d'ici 2030, le marché mondial des semi-conducteurs photoniques au silicium devrait atteindre 7,86 milliards de dollars américains, avec un taux de croissance annuel composé qui devrait atteindre 25,7 %, soit une augmentation significative par rapport à seulement 1,26 milliard de dollars américains en 2022.
Les données prévisionnelles de Mordor Intelligence, une institution de recherche bien connue, sont relativement conservatrices. La taille du marché de la photonique sur silicium devrait atteindre 1,49 milliard de dollars américains en 2023. L’agence prévoit qu’elle atteindra 4,54 milliards de dollars américains d’ici 2028, avec un taux de croissance annuel composé de 24,98 % au cours de la période de prévision (2023-2028).
L'agence a noté que la photonique sur silicium est une branche en développement de la photonique qui présente des avantages distincts par rapport aux conducteurs électriques dans les produits semi-conducteurs utilisés dans les systèmes de transmission à grande vitesse. La technologie promet d'augmenter les vitesses de transmission à 100 Gbit/s, et des sociétés technologiques telles qu'IBM, Intel et Kothura ont utilisé cette technologie pour réaliser des percées. De plus, la technologie a révolutionné l’industrie des semi-conducteurs, promettant une transmission et un traitement de données à ultra-haute vitesse.
Douglas Yu, directeur de TSMC, a déclaré que le géant de la fabrication de puces étudiait une technologie de fabrication de puces qui utilise sa technologie avancée d'empilage et de conditionnement de puces développée en exclusivité pour construire des systèmes photoniques sur silicium intégrés. Le conditionnement avancé des puces est devenu un domaine important qui intéresse beaucoup plusieurs des plus grands fabricants de puces au monde - Intel, Samsung et TSMC, car les technologies avancées de conditionnement des puces telles que 2.5D/3D les aident à créer des puces plus puissantes.
Mais Yu a également déclaré qu'un tel système intégré, qui combine et connecte la photonique sur silicium et différents types de puces, et utilise sa propre technologie avancée d'emballage et d'empilage de puces, est encore en développement et en production d'essai, et n'est pas encore entré dans la production de masse à grande échelle.
Tien Wu, PDG d'ASE Semiconductor (ASX.US), l'un des plus grands fournisseurs de services de conditionnement et de test de puces au monde, partage un point de vue similaire. Il a déclaré qu'une nouvelle méthode de conditionnement et d'intégration de la technologie photonique sur silicium jouerait un rôle essentiel dans la résolution de l'un des principaux goulots d'étranglement du système de puissance de calcul de nouvelle génération.
Les technologies d'emballage avancées actuelles en photonique sur silicium comprennent les suivantes : emballage à intégration verticale, optique co-packagée (CPO), emballage à fixation de fibre, emballage à base de guide d'ondes et emballage de substrat en verre.
Parmi eux, la technologie CPO est un domaine de la technologie d’emballage sur lequel se concentrent les fabricants mondiaux de puces. Il s'agit d'une méthode hautement intégrée de co-conditionnement de composants optiques et électroniques dans le même boîtier. Cela permet de réduire la distance entre l’optique et l’électronique, améliorant ainsi l’efficacité énergétique et les performances des interconnexions des centres de données. Les analystes du secteur ont déclaré qu'à mesure que les géants des puces tels que TSMC, Intel, NVIDIA et Broadcom ont développé successivement des puces photoniques au silicium et la technologie cruciale d'optique co-packagée (CPO), le marché des CPO devrait connaître une croissance explosive dès 2024.
Un rapport de recherche récemment publié par Sphericalinsights, un institut de recherche bien connu, montre que le marché mondial des optiques co-packagées devrait croître à un taux de croissance annuel composé de 68,9 % entre 2022 et 2032. Le marché mondial des optiques co-packagées devrait atteindre 2,84 milliards de dollars américains d'ici 2032. L'agence estime que le marché en 2022 ne représentera que 15 millions de dollars américains.
Sphericalinsights a souligné que les plates-formes de puces de silicium sont largement considérées dans l'industrie comme la plate-forme d'intégration photonique sur silicium à grande échelle la plus prometteuse, tandis que les optiques co-packagées sont largement considérées comme idéales pour les interconnexions potentielles des centres de données. Les optiques co-packagées (CPO) ou optiques en boîtier (IPO) sont des combinaisons hybrides complexes de dispositifs optiques et de dispositifs à base de silicium sur une plate-forme de conditionnement unique, visant à résoudre les problèmes de bande passante et de consommation d'énergie de nouvelle génération.
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