Interconnexions optiques pour les centres de données IA : des modules optiques enfichables aux optiques co-packagées

Interconnexions optiques pour les centres de données IAsont des liaisons de données à haut débit qui utilisent la lumière pour déplacer les informations entre les GPU, les commutateurs, les racks et les systèmes du centre de données. Ils sont importants car les grands clusters d’IA ont besoin de plus que de la puissance de calcul brute : ils ont également besoin d’un mouvement de données à large bande passante, à faible latence et économe en énergie sur de nombreux appareils.

Ces dernières années, la plupart des discussions sur l’infrastructure de l’IA se sont concentrées sur les GPU. Cette orientation est compréhensible, car les GPU fournissent le calcul parallèle nécessaire à la formation et à l’inférence à grande échelle. Mais un cluster GPU n’est pas qu’un simple tas d’accélérateurs. Il s'agit d'un système informatique distribué, et les systèmes distribués sont limités non seulement par la vitesse de calcul de chaque processeur, mais également par la vitesse à laquelle les données peuvent circuler entre les processeurs.

Lorsque des milliers de GPU fonctionnent ensemble, l’interconnexion devient partie intégrante du système informatique lui-même. Si le chemin des données entre les GPU, les commutateurs et les racks ne peut pas suivre, les accélérateurs coûteux passent plus de temps à attendre et moins de temps à calculer. En ce sens, l’interconnexion optique n’est pas un sujet de réseautage périphérique. C’est l’une des couches physiques qui détermine si les grands systèmes d’IA peuvent utiliser efficacement le calcul installé.

La formation en IA est l’endroit le plus simple pour voir le problème. Un modèle volumineux peut contenir un nombre énorme de paramètres, bien au-delà de ce qu'un seul GPU peut contenir ou traiter efficacement. La charge de travail est répartie entre de nombreux accélérateurs. Chaque GPU calcule une partie de la tâche, puis échange les résultats intermédiaires avec d'autres GPU. Cet échange peut se produire à plusieurs reprises au cours de la formation, créant ainsi un trafic est-ouest important au sein du cluster IA.

L’inférence semblait également plus simple. Dans une génération précédente d’applications d’IA, il était raisonnable d’imaginer qu’une requête soit gérée par un petit nombre de GPU. L'inférence moderne évolue vers un raisonnement plus complexe, un contexte, une récupération, une utilisation d'outils, une planification et des flux de travail agents plus longs. Dans ces cas, le système devra peut-être coordonner davantage de ressources de calcul sur plusieurs étapes. Le résultat est que l’inférence peut également devenir une charge de travail sensible à l’interconnexion, en particulier lorsque le déploiement dessert de nombreux utilisateurs à grande échelle.

La leçon pratique est simple : une fois que les charges de travail d’IA nécessitent que de nombreux processeurs agissent comme un seul système,Bande passante d'interconnexion GPUfait partie de l’équation de la performance.

La formation et l'inférence exercent une pression différente sur le réseau, mais toutes deux dépendent du mouvement des données.

Pendant l'entraînement, les GPU échangent des gradients, des activations, des paramètres et des données intermédiaires. Plus le modèle est distribué et plus le cluster est grand, plus la synchronisation et l'échange de données deviennent critiques. Lors de l'inférence, la pression dépend de la conception de la charge de travail. Une simple inférence requête-réponse ne sollicite peut-être pas autant le réseau que la formation, mais le raisonnement en plusieurs étapes, la récupération et l'exécution agentique peuvent augmenter la communication entre les nœuds de calcul, les systèmes de stockage et les groupes d'accélérateurs.

C’est pourquoi les interconnexions optiques sont devenues au cœur de l’architecture des centres de données IA. Le défi n’est plus seulement de savoir comment construire des puces plus rapides. Il s'agit également de savoir comment connecter ces puces de manière à maintenir une bande passante élevée, une distance gérable, une latence faible et une consommation d'énergie sous contrôle.

Le cuivre occupe toujours une place importante dans les systèmes d’IA. Pour les chemins électriques très courts à l’intérieur d’un serveur, d’un châssis ou d’une armoire étroitement intégrée, le cuivre peut être efficace, utilisable et rentable. Le problème apparaît lorsque la même approche basée sur le cuivre est poussée vers des tarifs de voies plus élevés, des liaisons plus longues et des topologies de cluster plus larges.

À haut débit, les liaisons en cuivre sont confrontées à trois contraintes connectées : l'intégrité du signal, la portée et la puissance. Plus le débit de données est élevé, plus il devient difficile d’envoyer des signaux électriques propres à distance. Le cuivre passif est généralement limité aux liaisons courtes. Les solutions en cuivre actif peuvent étendre la portée en ajoutant des composants électroniques, mais ces composants électroniques ajoutent de la puissance, de la chaleur, du coût et de la complexité de conception.

La technologie SerDes a permis des interfaces électriques à très haut débit, mais des débits de signalisation plus élevés rendent les liaisons en cuivre de plus en plus sensibles à la perte, à la réflexion, à la diaphonie et à la complexité de l'égalisation. À mesure que les systèmes d’IA évoluent vers des voies électriques plus rapides, la portée effective du cuivre devient de plus en plus dépendante du produit et de l’architecture.

Cela ne veut pas dire que le cuivre disparaît. Cela signifie que le cuivre est de plus en plus utilisé là où ses atouts restent adaptés à la distance physique : des chemins électriques courts et étroitement contrôlés. Une fois que la liaison dépasse quelques mètres, ou lorsque de nombreuses liaisons doivent fonctionner de manière dense dans un système à l'échelle d'un rack ou d'un cluster, les liaisons optiques deviennent plus attrayantes.

La distinction la plus importante n’est pas « cuivre contre fibre » dans l’abstrait. La véritable distinction réside dans la distance de liaison et la couche système.

À l’intérieur d’une armoire, les GPU et les puces de commutation peuvent communiquer via des trajets électriques très courts. Dans des systèmes tels que les armoires GPU haute densité, de nombreuses liaisons internes peuvent rester électriques car la distance physique est courte. Mais les liaisons de rack à rack, d’armoire à armoire et à l’échelle du centre de données créent un problème différent. Ces distances sont plus longues, le nombre de liaisons est plus élevé et le coût de la perte de signal devient beaucoup plus visible au niveau du système.

Le cuivre peut toujours être conçu pour des applications spécifiques à courte portée. La fibre devient intéressante lorsque l'architecture nécessite une bande passante élevée sur des connexions plus longues ou plus distribuées.

L’alimentation d’interconnexion n’est pas seulement un élément d’une spécification de composant. À l’échelle des centres de données IA, des milliers, voire des millions de voies à grande vitesse peuvent transformer la puissance des liaisons en une contrainte de conception majeure. Les liaisons en cuivre actives, les retimers, l'égalisation et la gestion thermique ajoutent tous de la pression au système.

La dernière question d’ingénierie n’est pas seulement de savoir si un lien peut fonctionner. Il s’agit de savoir si ce lien peut fonctionner à grande échelle, dans le cadre de l’enveloppe énergétique et thermique d’une installation d’IA dense. C’est l’une des raisons pour lesquelles les interconnexions optiques sont passées d’un sujet de réseau à un sujet d’infrastructure d’IA.

Interconnexion cuivre ou fibre dans les centres de données IA

Les liaisons par fibre optique utilisent la lumière plutôt que le courant électrique pour transporter les informations. Cela leur confère plusieurs avantages dans les centres de données IA : bande passante élevée, longue portée, immunité aux interférences électromagnétiques et meilleure adéquation aux liaisons denses à haut débit à distance.

La valeur de la fibre est particulièrement évidente lorsque le système doit connecter plusieurs racks, plusieurs armoires ou plusieurs salles de données. Les signaux électriques en cuivre se dégradent avec la distance et la vitesse. Les signaux optiques peuvent voyager beaucoup plus loin tout en maintenant des débits de données élevés, ce qui fait de la fibre un choix naturel pour les clusters d'IA distribués.

WDM, ou multiplexage par répartition en longueur d'onde, permet à plusieurs longueurs d'onde optiques de traverser la même fibre en même temps. Chaque longueur d'onde peut transporter un flux de données distinct. Concrètement, le WDM transforme une fibre en plusieurs canaux optiques parallèles.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les liaisons optiques évoluent différemment des liaisons en cuivre. Au lieu d'ajouter un conducteur physique distinct pour chaque chemin de trafic, les systèmes optiques peuvent augmenter la capacité en combinant des canaux de longueur d'onde, des formats de modulation plus élevés et des composants optiques plus rapides.

Transmission WDM multi-longueurs d'onde dans une seule fibre

Le bon choix technique dépend de la distance, de la bande passante, du coût, de la facilité d'entretien et de la conception thermique. Le cuivre reste utile dans les liaisons courtes contrôlées. La fibre devient de plus en plus importante à mesure que les clusters d’IA s’étendent vers l’extérieur.

UNémetteur-récepteur optique enfichableest un module qui convertit les signaux électriques en signaux optiques et les signaux optiques en signaux électriques. Un côté se connecte électriquement à un commutateur, une interface réseau ou une carte système. L'autre côté se connecte à la fibre optique.

Dans les centres de données IA, les modules optiques enfichables sont particulièrement importants pour les liaisons entre les armoires, les racks et les commutateurs. Ils ne constituent généralement pas la technologie principale pour chaque lien court à l’intérieur d’une armoire GPU. Cette distinction est importante car elle évite un malentendu courant : les modules optiques ne remplacent pas automatiquement tout le câblage interne du GPU.

À l’intérieur d’une armoire GPU haute densité, la distance entre les GPU, les commutateurs et les cartes peut aller de quelques centimètres à un petit nombre de mètres. Les liens électriques peuvent encore avoir un sens là-bas, en particulier lorsque le système est conçu comme une unité étroitement intégrée.

Lorsque le trafic quitte l'armoire et se déplace vers un autre rack, un autre commutateur ou une autre pièce, les exigences de liaison changent. La distance s'allonge, le nombre de liaisons augmente et les modules optiques deviennent plus attractifs.

Une façon utile de réfléchir à la hiérarchie est la suivante :

La chaîne de demande est simple. Plus de GPU nécessitent plus de systèmes. Plus de systèmes nécessitent plus d'armoires. Un plus grand nombre d'armoires nécessitent une interconnexion plus rapide entre les armoires et les commutateurs. À mesure que le nombre de ces liaisons augmente, la demande de modules optiques augmente.

C’est pourquoi les émetteurs-récepteurs optiques sont devenus étroitement liés à la croissance des infrastructures d’IA. Le module n'a pas de valeur car il s'agit d'un boîtier autonome. Il est précieux car il active le réseau physique qui permet aux grands clusters GPU de fonctionner comme un seul système.

Un émetteur-récepteur optique enfichable semble simple de l'extérieur, mais en interne, il combine l'optique, l'électronique, les semi-conducteurs, le boîtier et l'alignement de précision. Les principaux composants sont le laser, le modulateur, le photodétecteur, le DSP et le système de couplage optique.

À l'intérieur d'un émetteur-récepteur optique enfichable

La diode laser fournit la source lumineuse du signal optique. Il ne transporte pas nécessairement les données à lui seul. Au lieu de cela, il produit une porteuse optique stable qui peut être modulée.

Le système matériel compte. Le silicium est excellent pour la logique numérique, mais ce n’est pas un émetteur de lumière efficace. Les lasers optiques utilisent couramment des semi-conducteurs composés III-V tels queInPouGaAs, car ces matériaux sont bien mieux adaptés à la génération de lumière.

Plusieurs types de laser apparaissent dans les modules optiques et les systèmes associés :

Le passage de l’optique enfichable traditionnelle à la photonique sur silicium et au CPO modifie le rôle du laser. Dans de nombreux modules enfichables, le laser et le modulateur peuvent être étroitement intégrés. Dans les conceptions de type CPO, le laser peut être placé à l'extérieur du boîtier en tant que source de lumière externe, tandis que la modulation se produit à l'intérieur de la puce photonique en silicium.

Le modulateur est le composant qui transforme une porteuse optique vierge en un signal porteur de données. Il prend le flux de données électriques et modifie le signal optique afin que les uns et les zéros puissent être représentés par l'intensité lumineuse ou le comportement de phase.

Deux approches de modulation importantes sontEAMetMZI.

Un modulateur d'électro-absorption modifie la force avec laquelle un matériau absorbe la lumière lorsqu'une tension est appliquée. Il peut être intégré à un laser pour former un EML, largement utilisé dans les modules optiques à grande vitesse conventionnels.

Un modulateur interférométrique Mach-Zehnder fonctionne différemment. Il divise la lumière en deux chemins, change la phase sur un chemin, puis recombine la lumière. En fonction de la relation de phase, le signal recombiné peut devenir plus fort ou plus faible. Cette approche est importante en photonique sur silicium car elle peut être mise en œuvre à l’aide de structures de guides d’ondes en silicium.

À la réception, le signal optique doit être reconverti en signal électrique. C'est le rôle du photodétecteur.

Le photodétecteur utilise l'effet photoélectrique : les photons entrants excitent les porteurs dans le matériau semi-conducteur, créant ainsi du courant. Un bon photodétecteur doit réagir rapidement, générer suffisamment de courant à partir d'une faible puissance optique et maintenir un faible bruit.

Trois paramètres comptent particulièrement :

En photonique sur silicium, le germanium est souvent utilisé pour la photodétection, car le silicium lui-même n'est pas efficace pour absorber les longueurs d'onde courantes des télécommunications telles que 1 310 nm et 1 550 nm. Ceci est un exemple de la façon dont la photonique sur silicium dépend toujours d’une intégration minutieuse des matériaux, et non du seul silicium pur.

LeDSPest le moteur de traitement du signal numérique intégré à de nombreux modules optiques à grande vitesse. Il permet d'encoder, d'égaliser, de récupérer et de nettoyer le signal.

À grande vitesse, la liaison optique n’envoie pas seulement de simples impulsions marche-arrêt. Les modules modernes utilisent souventPAM4, qui représente deux bits par symbole en utilisant quatre niveaux de signal. PAM4 améliore l'efficacité de la bande passante, mais rend également le signal plus sensible au bruit et à la distorsion. Le DSP aide à récupérer les données prévues à partir de ce signal imparfait.

La feuille de route de vitesse des modules optiques est passée de 400G à 800G, avec un déploiement de 1,6T et des conceptions à débit plus élevé poussant l'industrie vers des voies électriques et optiques plus rapides. L'architecture exacte dépend de la conception du module, du nombre de voies, du schéma de modulation et des exigences du système, mais la tendance est claire : chaque génération exerce une pression accrue sur le DSP, l'optique, le packaging et le processus de test.

La dernière fonction critique est le couplage optique. La lumière générée ou traitée sur une puce doit pénétrer dans la fibre avec une très grande précision. Un cœur de fibre monomode ne mesure qu'environ 8 à 9 micromètres de large, le couplage est donc un problème d'alignement à l'échelle du micron.

Deux approches courantes sont le couplage bout à bout et le couplage par réseau.

Accouplement bout à boutenvoie la lumière directement du bord de la puce dans la fibre. Cela peut être efficace, mais l’alignement est exigeant.Accouplement de grilleutilise une structure à motifs sur la surface de la puce pour rediriger la lumière vers ou hors d'un guide d'ondes. Il peut offrir une plus grande tolérance d'alignement dans certaines conceptions, mais il introduit également des considérations de longueur d'onde et d'efficacité.

À l’échelle de la production, le défi ne consiste pas simplement à démontrer une seule fois le couplage optique. Le défi consiste à le faire de manière répétée, fiable et économique sur de grands volumes.

Un module optique peut être compris comme un système de traduction bidirectionnelle. Lors de la transmission, il convertit les données électriques en données optiques. À la réception, il reconvertit les données optiques en données électriques.

Flux de signaux électriques-optiques-électriques

Dans le sens de transmission, le GPU ou le commutateur ASIC envoie un signal électrique vers le module optique. Le DSP conditionne le signal. Le modulateur impose l'information à la lumière de la source laser. Les optiques de couplage alignent ensuite cette lumière dans la fibre.

Dans le sens réception, la lumière sort de la fibre et est dirigée vers le photodétecteur. Le photodétecteur convertit le signal optique en courant. Le DSP récupère ensuite les données, corrige la distorsion et renvoie un signal électrique utilisable au système.

Cette conversion électrique-optique-électrique constitue la base des interconnexions optiques enfichables.

Les modules optiques combinent deux mondes semi-conducteurs qui ne fusionnent pas naturellement.

Le premier est le monde numérique du silicium. Les DSP sont des circuits intégrés à base de silicium. Ils s'appuient sur une conception CMOS avancée, un traitement du signal numérique et des interfaces électriques à grande vitesse.

Le deuxième est le monde optique des semi-conducteurs composés. Les lasers, de nombreux modulateurs et certains photodétecteurs reposent sur des matériaux tels que l'InP et le GaAs. Ces matériaux sont utilisés car ils peuvent générer, moduler ou détecter la lumière de manière efficace, ce que le silicium ne peut pas faire.

Fabrication de puces optiques Silicon DSP et InP

Un DSP est fondamentalement une puce numérique. Il traite des symboles, du codage, de la correction, de l'égalisation et de la récupération du signal. Ses obstacles sont la complexité algorithmique, la conception à signaux mixtes à grande vitesse et la mise en œuvre avancée du silicium.

Ceci est plus proche du monde des processeurs, des GPU, des commutateurs et des ASIC de réseau que du monde de la fabrication laser. Les équipes de conception, les flux de processus et les partenaires de fabrication sont donc différents de ceux utilisés pour les dispositifs optiques à semi-conducteurs composés.

Les dispositifs optiques InP et GaAs appartiennent à un écosystème de processus différent. Les tranches sont plus petites, les matériaux se comportent différemment, la chimie du processus est différente et les performances optiques dépendent fortement de l'épitaxie, du contrôle des défauts et de la structure du dispositif.

Une fonderie de silicium leader n’est pas automatiquement un fabricant leader de lasers InP. L'équipement, les recettes, la connaissance des matériaux et les défis en matière de rendement sont différents. C’est l’une des raisons pour lesquelles les chaînes d’approvisionnement d’interconnexions optiques sont plus distribuées que les chaînes d’approvisionnement de GPU.

Le substrat est le matériau de base sur lequel le dispositif optique est construit. Pour les lasers à base d'InP, la qualité des matériaux est essentielle car les défauts peuvent affecter le dispositif optique développé au-dessus.

L'épitaxie est le processus de croissance de couches fonctionnelles sur le substrat. Dans les dispositifs laser, ces couches peuvent inclure des structures de puits quantiques, dans lesquelles les électrons et les trous se recombinent pour émettre des photons. L’épaisseur, la composition et le dopage des couches doivent être étroitement contrôlés. De petits écarts peuvent déplacer la longueur d’onde, réduire l’efficacité ou nuire à la fiabilité.

C’est pourquoi la fabrication de semi-conducteurs composés ne consiste pas simplement à « fabriquer des puces avec un matériau différent ». Il s’agit d’une discipline spécialisée dans la fabrication de dispositifs optiques.

Photonique sur silicium PICLa technologie utilise des structures à base de silicium pour guider, moduler, diviser, combiner et détecter la lumière sur une puce intégrée. C’est important car cela rapproche les fonctions optiques du monde de la fabrication et de l’emballage de l’électronique avancée.

Un PIC photonique au silicium ne signifie pas que chaque fonction optique est constituée uniquement de silicium. Le silicium peut guider la lumière et prendre en charge des guides d'ondes, des modulateurs et des schémas d'intégration compacts. Mais le silicium n’est pas une source de lumière efficace, c’est pourquoi les lasers III-V externes ou intégrés séparément restent importants.

La photonique sur silicium utilise souvent le SOI, ou silicium sur isolant, comme plate-forme. En termes simplifiés, SOI fournit une couche de silicium séparée du substrat par une couche d'oxyde isolante. Le contraste d'indice de réfraction élevé entre le silicium et le dioxyde de silicium permet de confiner la lumière dans des guides d'ondes compacts en silicium.

Ces guides d'ondes agissent comme des fils optiques sur la puce. Ils acheminent la lumière entre les modulateurs, les séparateurs, les coupleurs, les détecteurs et autres structures optiques.

La principale limitation est la génération de lumière. Le silicium est utile pour manipuler la lumière, mais il est inefficace en tant que matériau laser. C'est pourquoi les systèmes photoniques sur silicium s'appuient souvent sur des sources laser basées sur InP.

Cette division du travail est au cœur de l’architecture CPO. Le PIC photonique au silicium peut être placé à proximité de l'ASIC et gérer le guidage d'ondes, la modulation et la détection. Le laser peut rester à l’extérieur de l’emballage en tant que source de lumière externe, alimentant en lumière continue la puce photonique.

Optiques co-packagées, ouCPO, rapproche les fonctions optiques du commutateur ASIC, de l'architecture de calcul adjacente au GPU ou de l'électronique au niveau du package. Au lieu de placer chaque fonction de conversion optique dans un module enfichable à l'arrière d'un système, CPO intègre des moteurs optiques beaucoup plus près de la puce.

NVIDIA décrit son approche de commutation CPOcomme le remplacement des émetteurs-récepteurs enfichables par des photoniques au silicium sur le même boîtier que l'ASIC. Broadcom décrit de la même manière son architecture de commutateur Ethernet CPO comme intégrant des moteurs optiques dans un package commun avec le commutateur. L'objectif technique est de raccourcir la distance électrique, de réduire la charge de signalisation électrique à grande vitesse et d'améliorer l'efficacité énergétique à une densité de bande passante élevée.

Une architecture CPO simplifiée comprend quatre blocs principaux :

Architecture CPO avec PIC photonique sur silicium et source laser externe

Le changement architectural est l'emplacement de l'interface optique. Dans un module enfichable, les signaux électriques voyagent de la puce ou de la carte au module. En CPO, l'interface optique se rapproche du package ASIC. Ce chemin électrique plus court est la principale raison pour laquelle CPO est attrayant pour les réseaux d’IA à très haute densité.

Le CPO n’élimine pas les lasers. Cela change leur place et ce qu’ils font.

Les sources laser externes peuvent fournir une lumière continue au moteur photonique au silicium tout en restant en dehors de la partie la plus chaude et la plus complexe du boîtier. Cela contribue à la facilité d’entretien et à la conception thermique. Si le laser est conservé à l'extérieur du boîtier, il peut être traité comme une source d'alimentation optique remplaçable plutôt que comme une partie indissociable du boîtier ASIC.

La source laser est encore couramment basée sur des matériaux III-V tels que l'InP. La photonique sur silicium peut rapprocher le routage et la modulation optiques de l'ASIC, mais elle nécessite toujours une source de lumière appropriée.

Le CPO ne doit pas être compris comme un remplacement universel des optiques enfichables. Les deux architectures servent différentes couches du réseau du centre de données.

L’avenir le plus réaliste est la coexistence. Les optiques enfichables resteront importantes sur de nombreuses liaisons de centres de données. Le CPO se développera là où la densité de bande passante et la pression de l’énergie électrique sont les plus sévères.

Le principal moteur d’ingénierie du CPO n’est pas qu’il soit « nouveau ». Le fait est que la distance électrique à grande vitesse devient de plus en plus coûteuse à mesure que la densité de la bande passante augmente. Rapprocher la conversion optique de l’ASIC réduit la longueur du chemin électrique le plus difficile.

Cela peut réduire le besoin de resynchronisation électrique complexe, améliorer l’intégrité du signal, réduire la puissance de liaison et prendre en charge des systèmes de commutation plus denses. Cependant, le CPO augmente également l'importance du conditionnement optique, de la stratégie de source laser, de la conception thermique et de la complexité des tests.

Une architecture optique enfichable maintient le module physiquement séparé de l'ASIC. Le signal électrique doit traverser la carte pour atteindre le module. À des vitesses très élevées, cette distance nécessite une conception minutieuse des canaux et un conditionnement souvent actif du signal.

CPO modifie cet équilibre. En plaçant des moteurs optiques à proximité de l'ASIC, cela réduit la distance électrique avant la conversion en lumière. Le chemin optique transporte ensuite le signal sur la fibre, où l'échelle de distance est plus favorable.

Les chiffres de performances CPO déclarés par le fournisseur sont spécifiques au produit et doivent être interprétés dans le contexte de chaque architecture de commutateur. Les documents CPO publics de NVIDIA décrivent une résilience réseau améliorée et une durée d'exécution des applications soutenue par rapport aux conceptions basées sur des émetteurs-récepteurs enfichables.Broadcom déclare que son commutateur Ethernet Tomahawk 6 Davisson CPOfournit 102,4 Tbit/s de capacité de commutation et réduit la consommation électrique des interconnexions optiques de 70 % par rapport aux solutions enfichables traditionnelles.

Ces affirmations sont des signaux importants, mais elles ne doivent pas être généralisées en disant que « tous les systèmes CPO offrent toujours le même avantage ». Le véritable avantage dépend de l'architecture du commutateur, de la conception du moteur optique, de la topologie des liaisons, de la conception thermique et de l'environnement de déploiement.

Les interconnexions optiques dépendent d'une chaîne de technologies spécialisées. Un problème de pénurie ou de rendement dans une couche peut limiter la disponibilité du module ou du système final.

La chaîne d’approvisionnement peut être comprise en plusieurs couches :

Les substrats composés de semi-conducteurs constituent le point de départ de nombreux dispositifs optiques. L'InP et le GaAs sont utilisés car leurs propriétés matérielles prennent en charge la génération et la détection de lumière d'une manière que le silicium ne peut pas.

Des substrats de haute qualité sont essentiels car les défauts peuvent se propager dans les couches du dispositif et réduire les performances ou la fiabilité. Pour l’optique des centres de données IA, cela est important car les modules haute vitesse et les sources lumineuses CPO nécessitent des performances optiques stables et reproductibles.

Les plaquettes SOI sont importantes pour la photonique sur silicium car elles constituent la plate-forme pour les guides d'ondes optiques compacts et les structures photoniques intégrées. Ils ne sont pas le seul facteur dans la photonique sur silicium, mais ils constituent un apport fondamental.

L’importance du SOI augmente à mesure que la photonique sur silicium passe des dispositifs optiques spécialisés aux architectures d’interconnexion de centres de données à grand volume.

La couche IC numérique reste essentielle. Même si le CPO réduit le rôle des longs chemins électriques, les systèmes optiques ont toujours besoin de circuits intégrés de pilotage, d'une logique de contrôle et d'une intelligence de traitement du signal. Dans les modules enfichables, le DSP peut être l'un des composants les plus complexes et les plus coûteux. En CPO, certaines fonctions de traitement du signal peuvent être simplifiées, mais la coordination électrique-photonique reste critique.

Le CPO est souvent décrit comme une technologie optique, mais c’est aussi une technologie de packaging. Le moteur photonique, les circuits intégrés électriques, les interfaces fibre, la source laser et le chemin thermique doivent fonctionner ensemble comme un système.

Les tests sont également plus difficiles que dans un appareil purement électrique. Les ingénieurs doivent valider les performances optiques et électriques : puissance optique, perte de couplage, comportement de modulation, sensibilité du récepteur, intégrité du signal, comportement thermique et fiabilité de la liaison. À grande échelle, cela rend le packaging et les tests aussi importants que la conception des puces.

Les données du marché montrent pourquoi la capacité d'interconnexion optique est devenue stratégiquement importante, mais le dossier technique dépend toujours de la densité de la bande passante, du budget énergétique, de la portée, de la faisabilité du packaging et de la fiabilité du système. Les prévisions peuvent indiquer une pression sur la demande, mais elles ne prouvent pas que chaque architecture optique évoluera à la même vitesse.

LightCounting a signalé que les ventes d'émetteurs-récepteurs optiques et de produits associésa atteint 23,8 milliards de dollars en 2025, en hausse de 55 % par rapport à 2024. Cette croissance reflète la forte demande en matière de déploiement d'infrastructures de centres de données et d'IA, en particulier d'optiques Ethernet haut débit et de produits associés.

Cela ne signifie pas que chaque catégorie de modules optiques connaît une croissance égale. Cela montre que la frontière optique-électrique est devenue un domaine d’investissement majeur dans les infrastructures à mesure que les clusters d’IA se développent.

Goldman Sachs Research a prévuque le marché total adressable des réseaux d’IA pourrait être multiplié par neuf pour atteindre 154 milliards de dollars d’ici 2028, le CPO apportant une part importante de cette opportunité. Il est préférable de traiter ces chiffres comme des estimations de marché basées sur des scénarios plutôt que comme une preuve directe que chaque architecture CPO sera adoptée au même rythme.

Les conclusions techniques sont plus importantes que le chiffre global : à mesure que les systèmes d’IA deviennent plus denses et plus distribués, la valeur de la couche d’interconnexion augmente. Le CPO, la photonique sur silicium, les lasers externes, les modules optiques, la fibre et l'emballage deviennent tous plus importants car ils se situent directement sur le chemin du mouvement des données de l'IA.

Les interconnexions optiques sont importantes car les clusters d'IA sont des systèmes distribués. Plus un système utilise de GPU et de commutateurs, plus le mouvement des données devient important.

Le cuivre reste utile pour les trajets électriques courts et contrôlés, mais il devient plus difficile à étendre sur des liaisons à haut débit plus longues. La fibre offre une portée, une bande passante, une immunité aux interférences électromagnétiques et une mise à l'échelle de capacité basée sur WDM.

Les modules optiques enfichables restent au cœur de la mise en réseau des centres de données. Ils offrent un moyen flexible et pratique de connecter des racks, des commutateurs et des systèmes. Ils ne disparaîtront pas simplement parce que le CPO émerge.

CPO est un changement architectural, pas seulement un module optique plus petit. Il rapproche la conversion optique de l'ASIC, en utilisant souvent des PIC photoniques au silicium et des sources laser externes. Sa valeur est la plus forte là où la densité de bande passante et la pression de puissance sont les plus sévères.

La photonique sur silicium constitue un pont entre l’électronique et l’optique, mais elle ne supprime pas le besoin de sources lumineuses à semi-conducteurs composés. Les lasers InP, les plaquettes SOI, l'intégration photonique, le couplage, le conditionnement et les tests font tous partie du système.

La chaîne d'approvisionnement des interconnexions optiques est distribuée. Aucune couche technologique ne détermine à elle seule le succès. Les matériaux, l'épitaxie, les lasers, les DSP, la photonique sur silicium, l'emballage, les tests, les modules et l'infrastructure de fibre doivent tous évoluer ensemble.

Les interconnexions optiques sont des liaisons de données à haut débit qui utilisent la lumière pour déplacer les informations entre les GPU, les commutateurs, les racks et les systèmes du centre de données. Ils aident les clusters d’IA à échanger des données sur de plus longues distances et sur des bandes passantes plus élevées que celles que le cuivre peut prendre en charge efficacement à grande échelle.

La fibre ne remplace pas le cuivre partout. Le cuivre reste utile pour les liens internes courts. La fibre devient plus attrayante pour les liaisons rack à rack, commutateur à commutateur et à l'échelle du cluster, car elle offre une plus longue portée, une bande passante élevée, une immunité aux interférences électromagnétiques et une meilleure évolutivité grâce au multiplexage optique.

Un émetteur-récepteur optique enfichable comprend généralement une source laser, un modulateur, un photodétecteur, un DSP et des composants de couplage optique. Ensemble, ces pièces convertissent les signaux électriques en signaux optiques pour la transmission par fibre, puis reconvertissent les signaux optiques reçus en données électriques.

Les optiques enfichables sont des modules remplaçables installés à la périphérie du système. CPO rapproche les moteurs optiques du package ASIC. Les optiques enfichables donnent la priorité à la facilité d'entretien et à la flexibilité, tandis que le CPO cible des chemins électriques plus courts, une densité de bande passante plus élevée et une pression de puissance plus faible dans certaines liaisons haute densité.

La photonique sur silicium peut guider, diviser, moduler et détecter la lumière, mais le silicium est inefficace en tant que source de lumière. Les lasers InP sont toujours nécessaires pour fournir la puissance optique, en particulier dans les architectures où un PIC photonique au silicium gère la modulation et le routage tandis qu'un laser externe fournit une lumière continue.

Il est peu probable que le CPO remplace les optiques enfichables sur toutes les liaisons des centres de données. Les deux architectures s'adressent à des couches différentes. Le CPO est adapté à l'intégration optique haute densité adjacente à une puce ou au niveau du commutateur, tandis que les optiques enfichables restent utiles pour de nombreuses interconnexions de racks, de commutateurs et de centres de données.