Qu'est-ce que la narration de l'avance de la lumière sur le cuivre : Intel EMIB a-t-il surpassé TSMC dans la technologie d'interconnexion optique pour l'IA ?

L’essor de l’IA a provoqué un déclin de la transmission optique, les analystes indiquent que l’emballage EMIB d’Intel possède des avantages en termes de taux de rendement et de dissipation thermique par rapport au CoWoS de TSMC dans l’intégration optique en emballage (CPO).

Avec la croissance explosive des besoins en calcul IA, le goulet d’étranglement de la transmission dans les centres de données s’étend du seul chip à l’architecture d’emballage et d’interconnexion. La transmission optique en emballage (CPO) est vue comme la prochaine révolution clé des infrastructures, mais celui qui pourra résoudre en premier les trois défis du taux de rendement, de la dissipation thermique et de l’alignement des fibres optiques deviendra le facteur décisif de cette compétition. Récemment, l’analyste en semi-conducteurs Bubble Boi a souligné que la technologie d’emballage EMIB d’Intel présente des avantages, affirmant que le CPoS de TSMC rencontre des goulots d’étranglement dans l’intégration optique, ce qui a suscité de vives discussions dans la communauté.

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Pourquoi le « cuivre » ne peut-il pas soutenir la transmission de données à l’ère de l’IA ?

Dans l’architecture actuelle des centres de données IA, la taille des grappes de GPU ne cesse d’augmenter, reliant plusieurs GPU entre eux, ainsi que le GPU et la mémoire à haute bande passante (HBM), et les racks de serveurs. Tous dépendent d’une transmission de données à haute bande, à faible latence. Cependant, les câbles en cuivre traditionnels et la transmission électrique approchent leurs limites physiques face au volume massif de données et aux exigences énergétiques.

Selon un rapport de Goldman Sachs, la taille du marché des communications optiques devrait passer d’environ 15 milliards de dollars en 2026 à 154 milliards de dollars d’ici 2028, soit une croissance potentielle de dix fois. Cette vague de « lumière remplaçant le cuivre » trouve sa solution clé dans l’optique en emballage (CPO, Co-Packaged Optics) : intégrer directement le moteur optique dans l’emballage du chip, en remplaçant le signal électrique par un signal lumineux, ce qui réduit considérablement la longueur de transmission et la consommation d’énergie.

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En termes de consommation d’énergie, cet écart est considérable. Les modules optiques traditionnels en façade (FPP) consomment environ 20 pJ/bit ; en revanche, la structure CPO peut théoriquement réduire ce chiffre à moins de 5 pJ/bit, avec une économie d’énergie de plus de 70 %.

Les défis clés du CPO : dissipation thermique et taux de rendement

Bubble Boi affirme que pour que la production en série de la technologie CPO devienne réalité, le plus grand défi ne réside pas dans la physique fondamentale de la transmission optique dans la guide d’onde, mais dans la gestion thermique de l’emballage et le taux de fabrication.

Actuellement, la solution d’emballage dominante dans l’industrie est le CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) de TSMC, qui intègre tous les chips sur une grande couche intermédiaire de silicium. Cette architecture présente des limites fondamentales d’évolutivité : chaque couche intermédiaire de silicium est limitée par la taille maximale du masque (reticle). TSMC a lancé des versions dérivées telles que CoWoS-S, CoWoS-R, CoWoS-L pour y faire face, mais chaque ajout de chip ou de pile HBM augmente proportionnellement la probabilité de défauts d’emballage. Si une seule particule présente un problème, l’ensemble de l’emballage, coûtant plusieurs dizaines de milliers de dollars, doit être rejeté. La fiabilité chute rapidement après une surface équivalente à environ 5,5 tailles de masque.

Plus difficile encore, le moteur photonique est extrêmement sensible à la température, et les GPU haute performance ou ASIC de commutation génèrent une chaleur énorme lors de leur fonctionnement. La véritable contrainte pour la production en série du CPO réside dans la capacité à intégrer le moteur photonique dans la même carte d’emballage sans faire chuter le taux de rendement ou compromettre la dissipation thermique.

Les avantages de l’EMIB d’Intel : une solution partielle pour les défis complexes

Selon Bubble Boi, contrairement à la solution CoWoS de TSMC qui repose sur une couche intermédiaire massive intégrée, l’EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) d’Intel adopte une logique de conception radicalement différente.

L’EMIB remplace une grande couche intermédiaire par un petit pont de silicium, ne traitant que localement les connexions à haute densité. Il concentre le traitement des zones à forte chaleur et complexité, tout en maintenant les autres zones à faible risque. Cette stratégie de « localisation des problèmes difficiles » offre un avantage évident en termes de taux de rendement : l’industrie estime que l’emballage EMIB peut atteindre un taux supérieur à 95 %, avec une capacité d’intégration équivalente à environ 12 tailles de masque, bien supérieur à celle du CoWoS à taille équivalente.

En matière de photonique, Intel possède plus de 25 ans d’expérience dans ce domaine, et en 2024, a présenté un petit chip d’entrée/sortie optique (Optical I/O Chiplet) utilisant EMIB, capable d’atteindre un débit bidirectionnel de 2 Tbps, avec une consommation d’environ 5 pJ/bit, et a déjà réalisé des tests de fiabilité et d’alignement de fibres optiques conformes aux normes JEDEC.

L’alignement des fibres et les tests de fiabilité restent parmi les étapes les plus critiques, souvent encore en phase d’expérimentation pour de nombreux concurrents du CPO, et constituent une barrière technologique clé entre la démonstration et la production en série.

Le défi de TSMC : la solution COUPE peut-elle devancer la concurrence ?

Il faut souligner que Bubble Boi est lui-même un dirigeant d’Intel, et considérer que « le marché du CPO sera dominé par Intel » est une vision trop simpliste, sous-estimant largement les ressources et la capacité d’innovation de TSMC et de son écosystème.

La plateforme COUPE de TSMC, utilisant la technologie de pile de puces SoIC-X pour empiler directement des puces électroniques sur des puces photoniques, prévoit d’intégrer cette technologie dans le cadre du CoWoS avancé d’ici 2026, formant une architecture CPO complète. Cela pourrait permettre à la communication optique de passer du simple transfert entre serveurs à une intégration directe dans l’emballage du chip. Par ailleurs, TSMC explore également des technologies de nouvelle génération telles que le substrat en verre (CoPoS) et le collage hybride (Hybrid Bonding) pour dépasser les limites physiques des couches intermédiaires en silicium.

Le commutateur Tomahawk 5 Bailly de Broadcom, avec une capacité de 51,2 Tbps, a commencé à livrer à ses premiers clients, et atteindra une production de masse en 2026. Ces éléments montrent que la compétition pour la commercialisation du CPO ne se limite pas à la technique, mais concerne aussi la capacité à produire en série à grande échelle.

NPO comme solution transitoire, le CPO attendu après 2028

Pour comprendre la dynamique concurrentielle du CPO, il faut aussi distinguer un autre concept clé : la proximité de l’optique en emballage (NPO, Near-Package Optics).

Source : Feuille de route de l’évolution des technologies d’emballage optique d’Alphawave SEMI : des modules optiques enfichables (Pluggable Optics), de l’optique sur carte / optique en emballage proche (OBO / NPO), intégration optique en 2.5D (CPO 2.5D), emballage 3D (3D CPO), jusqu’à l’intégration complète de sources laser (Laser intégré).

La différence entre NPO et CPO réside dans le degré d’intégration : le CPO intègre directement le moteur optique dans le chip ; le NPO place le moteur optique à proximité immédiate de l’emballage, relié par une courte liaison électrique, échangeant un peu de performance contre une meilleure isolation thermique et un meilleur taux de fabrication. Des géants comme Google utilisent actuellement la solution NPO, combinée à l’utilisation simultanée de l’EMIB d’Intel et du CoWoS de TSMC.

Selon le marché actuel, les trois options pour les centres de données — Optiques enfichables, NPO et CPO — coexistent. La majorité des experts prévoient que le CPO remplacera massivement les solutions traditionnelles d’ici 2028-2030, mais que le NPO restera la solution transitoire principale jusqu’à cette date.

Les actions dans la communication optique : quelles opportunités pour la chaîne d’approvisionnement taïwanaise ?

Cette vague d’interconnexion optique offre de multiples opportunités pour la chaîne d’approvisionnement en semi-conducteurs à Taïwan. La plateforme COUPE de TSMC est la technologie clé la plus en vue ; Unimicron (3363) a déjà été intégré dans l’écosystème de la photonique silicium par TSMC, avec des spécifications allant jusqu’à 1,6T et 3,2T ; Pan-Quen (6830) se concentre sur la détection et les tests de perte optique pour la photonique en silicium et le CPO, en proposant des services, équipements et licences.

De plus, des acteurs comme ZTE (2345), spécialisés dans les équipements de réseau, et Innolux (6451), focalisé sur les modules de transmission optique, ainsi que United Microelectronics (3081), qui travaille depuis longtemps dans les composants de communication optique, sont considérés comme des bénéficiaires potentiels. L’acteur leader en emballage avancé, ASE (3711), avec ses nombreuses années d’expérience en CoWoS, pourrait également profiter de cette tendance.

Même si l’EMIB d’Intel offre des avantages tangibles et mesurables en ingénierie, notamment en termes de taux de rendement, de dissipation thermique et de fiabilité des fibres optiques, cette compétition ne sera probablement pas une guerre à somme nulle : Intel occupe une position stratégique dans les solutions d’intégration CPO haut de gamme, tandis que l’écosystème de TSMC pourrait conserver une part de marché importante grâce à sa taille et ses relations clients.

La tendance du « lumière en avant, cuivre en recul » est désormais incontestable, mais celui qui pourra faire la différence en matière de dissipation thermique, de taux de rendement et de capacité de production sera le véritable acteur déterminant de cette révolution technologique.

• Cet article est reproduit avec autorisation de : « Chain News »
• Titre original : « Analyse du récit « lumière en avant, cuivre en recul » : Intel EMIB a-t-il devancé TSMC dans la technologie d’interconnexion optique IA ? »
• Auteur original : Crumax