Conception d’architectures matérielles intégrées avec la photonique sur Silicium

1. Résumé du projet

Aujourd’hui, la conception de la majorité des architectures matérielles de calcul, des objets connectés aux centres de données, est dictée par la nécessité de transférer et de traiter de grandes quantités de données. Dans le contexte des systèmes embarqués, le traitement efficace de ces données est nécessaire pour permettre le déploiement de nombreuses applications, telles que les véhicules autonomes, l’internet décentralisé, les systèmes cyber-physiques cognitifs et la 5G. Cependant, les architectures matérielles de calcul traditionnelles, appelées « Von Neumann », impliquent de grandes précisions sur les calculs alors que de nombreuses applications embarquées, par exemple le traitement de flux vidéo, sont tolérantes aux erreurs [7]. Une précision inutilement élevée des calculs augmente les temps de traitement et la consommation d’énergie [16]. Par ailleurs, la technologie CMOS est limitée par une bande passante faible et des déplacements de données couteux en énergie (environ 1pJ/bit/mm). Ainsi, à l’heure où les applications nécessitent de traiter une quantité de données toujours plus importante et où la fin de la loi de MOORE est une réalité, il est impératif de 1) repenser l’organisation des architectures matérielles de calcul et 2) changer les technologies utilisées pour leur implémentation.

Ce projet de recherche a pour objectif de démontrer le potentiel de la photonique sur silicium pour améliorer les performances des architectures matérielles intégrées. Plusieurs verrous scientifiques doivent être levés pour atteindre cet objectif. Premièrement, les modèles de calcul reposant sur une représentation précise des nombres ne sont pas adaptés au calcul optique. Une précision élevée impose des contraintes telles sur les composants optiques qu’il est nécessaire de les utiliser à des fréquences très faibles. Deuxièmement, la complexité des composants optiques rend impossible pour tout concepteur de circuits d’explorer efficacement l’espace de conception. Ainsi, des choix arbitraires de paramètres se traduisent par des architectures sous-optimales en terme de performances et de flexibilité.

Afin de lever ces verrous et d’atteindre l’objectif visé, ce projet s’articule autour de deux Objectifs de Recherche (ORs). OR1 : conception d’architectures de calcul approximatif en optique intégré. Ce travail permettra de quantifier les gains issus de l’association de la photonique sur silicium et du calcul approximatif sur un ensemble représentatif d’applications. OR2 : optimisation des architectures. Ce travail permettra aux concepteur d’explorer l’ensemble des paramètres de conception afin d’optimiser les performances des architectures. Une émulation matérielle permettra de reproduire en temps quasi réel le comportement des architectures pour l’exécution d’applications réalistes.

Les retombées de ce projet permettront aux entreprises Canadiennes du secteur de l’optique, particulièrement nombreuses au Québec, d’envisager de nouveaux marchés liés au calcul embarqué. Réciproquement, les entreprises spécialisés dans la conception de systèmes embarqués et souhaitant développer des applications dont les contraintes de performances sont élevées pourront exploiter la photonique sur silicium. Ainsi, à terme, le projet pourrait faciliter le rapprochement entre deux secteurs d’activités pour lesquels le Québec est particulièrement reconnus.