interconnexions optiques

Opération N° 7 : Interconnexions Optiques
Rapport d’activité 2002 du LEOM 81
Opération n° 7
INTERCONNEXIONS OPTIQUES
Responsables : F.Gaffiot, Professeur
P.Rojo-Roméo, Maître de Conférences
Permanents Doctorants
Post-doctorants, Visiteurs, stagiaires
Frédéric GAFFIOT Pr 60% Pascal BONTOUX Thèse en 2002
Guy HOLLINGER DR CNRS 30 % Christelle MONAT Thèse en 2003
Xavier LETARTRE CR CNRS 20% Grzegorz TOSIK Thèse en 2003
Philippe REGRENY IR CNRS 10% Faress TISSAFI-DRISSI Thèse en 2004
Ian O'CONNOR MdC 50% Edouard TOURAILLE Thèse en 2004
Pedro ROJO-ROMEO MdC 50%
Christian SEASSAL CR CNRS 30%
Pierre VIKTOROVITCH DR CNRS 20%
Mots clés : interconnexions intra-puces, intégration hétérogène, microphotonique silicium, microlasers III-V sur Si,
Modélisation, comparaison électrique – optique, circuits d’interface optoélectronique.
Contexte et objectifs
La mise à jour 2001 de l’ITRS le confirme : les interconnexions constitueront un "difficult challenge"
pour les générations technologiques postérieures à 2007. Parmi les solutions envisageables,
l'optique intégrée est susceptible d'améliorer le compromis vitesse-consommation dans le cas du
transfert de l'information sur les liens globaux (dont la longueur est de l'ordre de grandeur des
dimensions du circuit) ; de plus, cette solution adresse également le problème du débit global
d'entrée/sortie. Enfin le multiplexage en longueur d’onde pourrait offrir des solutions technologiques
(réduction de la largeur des bus) et fonctionnelles originales (routage, liens reconfigurables, network
on a chip). Il est clair que pour les interconnexions des futurs circuits intégrés, l’optique pourra
permettre de lever potentiellement 3 types de verrous : i) La distribution d’horloge (consommation),
ii) Les échanges de données, iii) Les entrées-sorties.
La thématique « interconnexions optiques » a été initiée au LEOM à partir de 1998. L’analyse des
limitations des interconnexions métalliques sur les performances globales des systèmes intégrés,
associée à l’intérêt d’exploiter le potentiel technologique de PLATO pour réaliser des dispositifs en
microphotonique silicium et le savoir faire du LETI en matière d’intégration hétérogène III-V sur
silicium, ont conduit le LEOM à définir, avec le LETI, une stratégie visant à étudier la faisabilité de
liens optiques optiques on chip dans le but de proposer une alternative optique aux interconnexions
métalliques. Cela a conduit le LEOM à rejoindre le CPMA (Centre de projets en microélectronique
avancée) et à animer le projet « interconnexions optiques » à partir de l’année 2000.
Ce projet est devenu un thème fédérateur au LEOM et a donné naissance en 2002 à cette nouvelle
opération de recherche. Il est maintenant soutenu par trois programmes contractuels, Miphosi
(Région), Hétéropt (RMNT) et Lambdaconnect (ACI Nanoscience-Nanotechnologies), avec comme
partenaire industriel ST Microelectronics.
Concept de lien optique
Après une période d’analyse des solutions technologiques possibles (en particulier, dans le but
d’assurer la plus grande compatibilité technologique possible avec le process standard de fabrication
des systèmes intégrés CMOS), nous avons abouti au concept d’intégration photonique "above IC" :
une couche optique (à base de silicium) est rapportée sur le circuit après la fabrication complète du
circuit. Cette stratégie permet aussi d’adresser potentiellement le problème des interconnexions chip
to chip et a l’intérêt de découpler complètement le process de fabrication des CI de celui de
l’intégration photonique.
Le lien optique est composé d’une source laser III-V de taille micronique émettant autour de 1.5µm,
de guides d’onde et de circuits passifs en silicium, et d’un photodétecteur III-V. La figure ci-dessous
représente schématiquement un tel lien. La couche optique active est composée de deux niveaux :

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Rapport d’activité 2002 du LEOM 82
§ un niveau " passif " constitué d’un film de matériau à fort indice (Si) entouré par des films de
matériaux à bas indice (SiO2 ) (ce qui assure le fort confinement du champ électromagnétique et
donc rend possible la réalisation de composants micrométriques). Les composants passifs sont
réalisés en technologie ruban ou basés sur l’exploitation de cristaux photoniques.
§ Un niveau « actif » réalisé par collage moléculaire de films minces d’hétérostructures III-V. In fine,
les hétérostructures III-V seront rapportées sous forme de petites vignettes pour minimiser les
coûts de fabrication et permettre d’optimiser séparément les configurations des émetteurs et des
détecteurs
Les programmes contractuels
Le projet RMNT Hétéropt (2000-2004) vise à concevoir et étudier les composants élémentaires et à
explorer les technologies nécessaires à l'intégration de systèmes photoniques et optoélectroniques
pour la réalisation d'interconnexions optiques intra-puces point à point.
Les principaux objectifs scientifiques de Hétéropt sont les suivants :
§ établir la comparaison la plus fiable possible des performances de l’optique intégrée et des
technologies d’interconnexion standard pour les générations technologiques futures et tracer une
roadmap pour les composants photoniques élémentaires (microsources et photodétecteurs en
particulier),
§ étudier et optimiser les composants photoniques élémentaires en optique réfractive : dispositifs
de guidage sur substrats SOI puis en silicium poly cristallin et sources III-V couplées aux guides,
Le projet MIPHOSI a aussi pour objectif d’étudier la faisabilité de microsources III-V couplées à des
microguides silicium, mais en utilisant les cristaux photoniques.
L’objectif du projet Lamdaconnect (ACI nanosciences- 2002-2004) est de montrer que le multiplexage
en longueur d’onde peut être adapté aux communications on-chip et d'évaluer le gain de
performances qu’un réseau de communication optique intégré est susceptible d’apporter à une
architecture. Ce projet adresse une problématique de long terme (>5ans) et vise à montrer l’intérêt
architectural et la faisabilité technologique de l’optique intégrée.
Deux approches complémentaires sont mises en œuvre :
§ une approche système : il s’agira, en partant des évolutions prévisibles des architectures SoC,
d’évaluer l’apport du WDM pour la réalisation d’un réseau de communication intégré. Cette étude,
fondée sur une modélisation prédictive des réseaux optiques intégrés et sur la comparaison des
performances des technologies microélectronique et microphotonique, devra fournir les
spécifications des composants photoniques élémentaires permettant d’implémenter un réseau.
§ une approche composant : une première génération de composants élémentaires (multiplexeurs,
démultiplexeurs, filtres add-drop, modulateurs…) dont l’intérêt est manifeste en vue de
l’intégration d’un réseau de communication intégré, sera conçue et réalisée.
Les moyens mis en œuvre
La réussite de ces projets nécessite des moyens de technologique, de caractérisation et de
conception importants.
Les développements technologiques reposent sur les moyens du LETI (plate-forme Plato pour la
fabrication des composants photoniques silicium) et de la centrale de technologie du LEOM
(technologie III-V, pour la réalisation des composants actifs). La synergie entre les équipes du LETI
et celles du LEOM est en grande partie assurée par quatre chercheurs du LEOM qui interviennent de
manière récurrente au LETI. Leur apport concerne le design proprement dit des structures, le suivi
des lots et le back-end.
Par ailleurs, un consortium d’équipes issues des laboratoires français parmi les plus actifs dans les
domaines de la photonique intégrée s’est constitué et permet une répartition efficace des tâches de
design et de caractérisation.
Matériaux faible indice
(SiO
2
)Interconnexions métalliques
Microsource
laser III-V
Microguide
Photodétecteur III-V

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Conception et Modélisation de la Répartition de l’Horloge
Des Systèmes Intègres Par Voie Optique
Grzegorz Tosik, Ian O'Connor, Frédéric Gaffiot
Collaborations : Instytut Electronicki – TU Lodz (Z.Lisik et al.)
Introduction
Les circuits et systèmes intégrés travaillent à
des fréquences de plus en plus élevées et les
performances globales des systèmes viennent
à être limitées non plus par le retard dans les
composants logiques mais par les conditions
de synchronisation du flot de données. Le
signal d’horloge, doit être distribué sur toute la
surface du circuit en maintenant son intégrité
et en limitant le retard différentiel (le skew), le
retard de phase et la sensibilité des conditions
de propagation aux variations des paramètres
technologiques. De plus, ces objectifs doivent
être atteints en minimisant la puissance
consommée et l’utilisation de ressources
(surface de silicium).
A cause de la diminution continuelle du
paramètre métrique de la technologie et de
l’augmentation de la fréquence de
fonctionnement et du nombre d’unités
fonctionnelles intégrées sur un circuit, les
contraintes de conception qui pèsent sur la
distribution d’horloge sont de plus en plus
fortes et la distribution d’horloge (et plus
généralement les interconnexions les plus
longues) peut constituer dans l’avenir un
goulot d’étranglement dans la poursuite de
l’évolution des performances des systèmes
intégrés.
Les interconnexions optiques pourraient
constituer une alternative viable à la
technologie standard des interconnexions
métalliques, pour la distribution de l’horloge et
pour les interconnexions à longue distance.
Parmi les avantages intrinsèques des
interconnexions optiques, on compte une
bande passante accrue, la réduction du cross
talk et la réduction de la consommation de
puissance.
Dans ce cadre général, il s’agit tout d’abord de
comparer sans ambiguïté les performances
(en terme de puissance dissipée et de skew)
une distribution classique et une distribution
optique pour les prochaines générations
technologiques.
Modélisation de la distribution d'horloge
Différentes stratégies1 sont utilisées pour
distribuer l'horloge d'un circuit intégré
1 P.J.Restle and al. "A Clock Distribution Network for
Microprocessors", IEEE J. of Solid-State Circuits,
vol.36, NO.5, may 2001 ;
D.W.Bailey and B.J.Benschneider "Clocking Design
and Analysis for a 600 MHz Alpha Microprocessor",
IEEE J. of Solid-State Circuits, vol.33, NO.11, Nov.
1998 ;
complexe, celle qui produit le skew le plus
faible utilise des arbres équilibrés. La figure 1
montre un exemple d'arbre en H.
Bien que cet arbre soit "routé" sur les niveaux
métalliques supérieurs où les pistes sont les
moins résistives, les contraintes temporelles
conduisent à diviser les branches de cet arbre
en segments alimentés par un répéteur (fig.2).
Figure 1 : arbre de distribution d'horloge primaire équilibré
Figure 2 : insertion de répéteurs sur un lien de grande
dimension
Dans le cadre de la thèse de G.Tosik, nous
avons conçu un outil logiciel, appelé ICAL,
permettant d'optimiser la structure du réseau
d’interconnexion (nombre (k), taille (S) et
espacement (l) des répéteurs) qui minimise la
puissance électrique consommée tout en
respectant les contraintes temporelles pesant
sur la propagation du signal.
Principe de ICAL
La figure 3 décrit la structure générale de
ICAL:
Simon Tam and al. "Clock Generation and Distribution
for the First IA-64 Microprocessor", IEEE J. of Solid-
State Circuits, vol.35, NO.11, Nov. 2000.
L
L
longueur totale
k
lS

Opération N° 7 : Interconnexions Optiques
Rapport d’activité 2002 du LEOM 84
Figure 3 : organisation générale de ICAL
L'optimisation de l'arbre d'horloge est fondée
sur une expression analytique du retard de
propagation sur un segment de ligne1, fonction
des paramètres électriques de la ligne et de
ceux des répéteurs.
Après la phase d'optimisation, ICAL détermine
les ressources nécessaires à la réalisation de
l'arbre de distribution et extrait une netlist de
type SPICE du réseau optimisé afin de vérifier
ses performances temporelles.
Caractéristiques électriques des inter-
connexions
L'extraction des caractéristiques linéiques des
pistes d'interconnexion est, en particulier,
fondée sur l'analyse de la structure générale
d'un réseau d'interconnexion (fig. 4).
Figure 4 : structure générale d'un réseau d'interconnexion
Les paramètres électriques (résistance,
capacité et inductance linéïques) des lignes
d'interconnexion peuvent être calculés
analytiquement2 à partir des données
géométriques (H, S, W et T) et technologiques
1 T.Sakurai "Approximation of wiring delay in MOSFET
LSI" Journal of Solid-State Circuits Vol.18 No.4 pp.418-
426, 1983.
2 J.H. Chern, J. Huang, L. Arledge, P.C. Li, and P. Yang,
"Multilevel metal capacitance models for CAD design
synthesis systems", IEEE Electron Device Letters, Vol.13,
pp. 32-34, 1992 ;
F. Grover "Inductance Calculations Working Formulas and
Tables", Instrum. Soc. of America, 1945.
(ρ,résistivité des matériaux métalliques et εILD
constante diélectrique des isolants) de l’ITRS
(International Technology Roadmap for
Semiconductors).
Des simulations électromagnétiques ont
permis de valider la précision des équations
analytiques utilisées (fig.5) :
Figure 5 : simulation électromagnétique
(calcul du champ électrique
pour une technologie 0.1µm)
Résultats et perspectives
ICAL permet donc de déterminer pour les
générations technologiques actuelle et à venir,
les performances des interconnexions
métalliques. En particulier, ICAL permet
d'estimer la puissance consommée et la
surface de silicium, utilisée par les répéteurs,
nécessaires à la transmission du signal
d'horloge.
Un travail analogue est actuellement en cours
de développement visant à estimer les
performances d'un arbre de distribution
d'horloge optique.
Ainsi, il sera possible de comparer les
performances relatives des liaisons
métalliques et optiques pour la transmission
point à point.
SW
H
H
T
paramètres
électriques
des interconnexions
paramètres
des transistors
calcul du délai
optimisation
(puissance minimale)
netlist Spice
(vérification)
calcul des ressources
(puissance, répéteurs)
structure
de l'arbre
ρρ
ILD

Opération N° 7 : Interconnexions Optiques
Rapport d’activité 2002 du LEOM 85
Conception de systèmes optiques
P. Bontoux, F. Gaffiot, G. Jacquemod
Objectifs
Dans le cadre des programmes consacrés aux
interconnexions optiques1, nous nous sommes
attachés à définir et développer les outils
nécessaires à la conception de systèmes
photoniques intégrés. A l'instar des
méthodologies issues de la conception des
systèmes intégrés, nous cherchons, en
particulier, à construire une bibliothèque de
composants photoniques élémentaires.
Heteropt
La viabilité du concept d'interconnexion
optique réside dans la compatibilité
technologique de fabrication des structures
optiques avec les technologies CMOS
classiques. L'utilisation d'un substrat SOI
(silicon on insulator) autorise un fort contraste
d'indice entre le cœur des guides (n1=3.5) et le
milieu environnant (n2=1.5), ce qui assure un
fort confinement du champ électromagnétique
et, donc, permet la réalisation de structures de
taille micrométrique.
Composants passifs élémentaires
La figure 1 montre les premières structures
élémentaires qui ont été conçues et réalisées
sur Plato. L'outil de conception principal lors de
cette étape est le simulateur FDTD, couplé à
l'environnement Cadence, que nous avons
développé.
Figure 1 : structures élémentaires
L'objectif des premiers lots est double : il s'agit,
d'une part, de valider les résultats obtenus par
la simulation et, d'autre part, de caractériser
les structures élémentaires qui seront
intégrées dans un système.
Conception de systèmes optiques intégrés
Le simulateur physique FDTD, très largement
employé pour la conception de structures
1 Rappelons-le, Heteropt vise à étudier les interconnexions
optiques point-à-point et Lambda-connect, des systèmes
plus prospectifs utilisant le multiplexage en longueur
d'onde pour la réalisation de véritable réseaux de
transmission intégrés (network-on-a-chip)
élémentaires, n'est plus adapté dès lors que
l'on cherche à simuler un "système" de grande
taille (la charge mémoire et le temps de
simulation deviennent rapidement prohibitifs). Il
est donc nécessaire de proposer des modèles
de niveau d'abstraction élevé permettant de
respecter les contraintes de simulation des
systèmes intégrés. Ces modèles, fondés sur
une résolution analytique, la plupart du temps
approchée, des équations de Maxwell ou sur
l'analyse des résultats de simulations FDTD,
doivent permettre de relier le layout du
système optique
Modèle analytique : exemple des guides droits
La figure 2 donne un exemple de résultat de la
simulation FDTD, à deux dimensions, de deux
guides droits parallèles (le temps de simulation
pour cette structure élémentaire est d'environ
30 minutes sur une station Ultrasparc 20). Le
cross-talk est particulièrement visible sur cet
exemple, et doit être relié aux dimensions
géométriques (en particulier à e).
Figure 2 : résultat de simulation de deux guides couplés
Dans ce cas simple, la méthode des
perturbations permet de déterminer les
conditions de propagation dans la structure. Le
couplage entre les guides (crosstalk) est
entièrement décrit par la constante de
propagation, β, et les paramètres physiques et
géométriques de la structure.
Figure 3 : simulation comportementale de guides couplés
a : puissance de sortie du guide 1 e= 0,3µm
b : puissance de sortie du guide 1 e= 0,2µm
c : puissance de sortie du guide 1 e= 0,15µm
La figure 3 donne le résultat de la simulation
comportementale (les modèles sont écrits en
VHDL-AMS) de la structure. La puissance
guide 2
guide 1 e
P. opt. inj. guide 2
a
b
c
crosstalk
P. opt. inj. guide 1