Architecture of Silicon Photonic Links

par Robert Polster

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Éric Cassan.

Soutenue le 23-09-2015

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec Institut d'électronique fondamentale (laboratoire) .


  • Résumé

    Les futurs calculateurs de haute performance (HPC) devront faire face à deux défis majeurs : la densité de la bande passante d'interconnexion et les problématiques de consommation d'énergie. La photonique silicium est aujourd’hui perçue comme une solution solide pour aborder ces questions, tant du fait de ses performances que de sa viabilité économique en raison de sa compatibilité directe avec la microélectronique CMOS. Actuellement, une tendance de fond conduit à remplacer les interconnexions métalliques par des liens optiques ; cette évolution a été initiée sur des liaisons grandes distances mais atteint actuellement le niveau des liaisons entre cartes électroniques et pourrait conduire à moyen terme à l’intégration de liens optiques au sein mêmes des circuits intégrés électroniques. La prochaine étape est en effet envisagée pour l'interconnexion des processeurs au sein de puces multi-cœurs en positionnant les liens photoniques sur un même support de silicium (« interposer »). Plusieurs travaux ont démontré la possibilité d'intégrer tous les éléments nécessaires pour la réalisation de liaisons optiques sur un substrat de silicium ouvrant des perspectives de co-intégration optique et électronique très riches.Dans ce contexte, la première contribution de cette thèse est l'optimisation d'un lien de photonique de silicium en terme d'efficacité énergétique par bit (à minimiser). L'optimisation que nous avons conduite a pris en compte une modélisation de la consommation d'énergie pour le laser de la liaison, celle de l’étape dé-sérialisation des données, du résonateur en anneau considéré comme modulateur optique et des circuits de réception (« front-end ») et de décision. Les résultats ont montré que les principales contributions à la consommation de puissance au sein d’un lien optique sont la puissance consommée par le laser et les circuits d’alimentation du modulateur électro-optique. En considérant des paramètres de consommation extraits de simulations numériques et de travaux publiés dans des publications récentes, le débit optimal identifié se trouve dans la plage comprise entre 8 Gbits/seconde et 22 Gbits/seconde selon le nœud technologique CMOS utilisé (65nm à 28nm FD SOI). Il est également apparu qu’une diminution de la consommation de puissance statique du modulateur utilisé pourrait encore ramener ce débit optimal en-dessous de 8 Gbits/seconde.Afin de vérifier ces résultats, un circuit intégré récepteur de liaison optique a été conçu et fabriqué en se basant sur un débit de fonctionnement de 8 Gbits/seconde. Le récepteur utilise une technique d’entrelacement temporel destinée à réduire la vitesse d'horloge nécessaire et à éviter potentiellement l’étape de dé-sérialisation dédiée des informations.

  • Titre traduit

    Architectures de Liens Optiques en Photonique sur Silicium


  • Résumé

    Future high performance computer (HPC) systems will face two major challenges: interconnection bandwidth density and power consumption. Silicon photonic technology has been proposed recently as a cost-effective solution to tackle these issues. Currently, copper interconnections are replaced by optical links at rack and board level in HPCs and data centers. The next step is the interconnection of multi-core processors, which are placed in the same package on silicon interposers, and define the basic building blocks of these computers. Several works have demonstrated the possibility of integrating all elements needed for the realization of short optical links on a silicon substrate.The first contribution of this thesis is the optimization of a silicon photonic link for highest energy efficiency in terms of energy per bit. The optimization provides energy consumption models for the laser, a de- and serialization stage, a ring resonator as modulator and supporting circuitry, a receiver front-end and a decision stage. The optimization shows that the main consumers in optical links is the power consumed by the laser and the modulator's supporting circuitry. Using consumption parameters either gathered by design and simulation or found in recent publications, the optimal bit rate is found in the range between 8 Gbps and 22 Gbps, depending on the used CMOS technology. Nevertheless, if the static power consumption of modulators is reduced it could decrease even below 8 Gbps.To apply the results from the optimization an optical link receiver was designed and fabricated. It is designed to run at a bit rate of 8 Gbps. The receiver uses time interleaving to reduce the needed clock speed and aleviate the need of a dedicated deserialization stage. The front-end was adapted for a wide dynamic input range. In order to take advantage of it, a fast mechanism is proposed to find the optimal threshold voltage to distinguish ones from zeros.Furthermore, optical clock channels are explored. Using silicon photonics a clock can be distributed to several processors with very low skew. This opens the possibility to clock all chips synchronously, relaxing the requirements for buffers that are needed within the communication channels. The thesis contributes to this research direction by presenting two novel optical clock receivers. Clock distribution inside chips is a major power consumer, with small adaptation the clock receivers could also be used inside on-chip clocking trees.


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