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NEDO 光エレクトロニクスシンポジウム 2015.6.16

シリコン光電子融合技術の現状と展望

スパコンの超小型実装に向けて

東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構長生産技術研究所教授

荒川泰彦

特別講演 13時35分～14時05分


１．オンチップ・サーバ

LSIの限界の打破に向けて光エレ実装プロジェクトがめざす目標


社会的背景

1.2 ZB 2010

(出典) IEICE vol.94, no.8, 2011

JAPN WW

2006年以後、情報量が劇的に増加 2年で２倍以上の増加 2010年には、 ZB (Zetta Byte) を超えた 1GB (Giga-byte: 109)：新聞1年分 1ZB (Zetta-byte):百万年分の新聞

IT機器の消費電力予測は、2025年には５.２倍（国内、2006年比）９.４倍（世界、2006年比）

情報爆発に伴うIT機器消費電力の爆発的増加 ⇒IT機器の高性能化と低消費電力化が鍵

光エレ実装プロジェクトが本課題を解決する


電子集積回路LSIの限界

電子回路の動作周波数の増大に伴い、配線の抵抗値が指数関数的に増大し、遅延により、伝送可能な距離が極めて短くなるコア数の増加による性能拡大のみでは、やがて限界が訪れる。

年 1000

1万

10万

100万

1000万

1億

10億

100億

1000億

1兆

1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

VLSI・ULSI

LSI

電子

回路

集積

度×

動作

効率

トランジスタ

IC

電子集積回路信号の高周波化に伴い、

電気では伝送不可能になり、光による伝送が必要になる

20Gbpsの場合

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Intel_pentium4_1.5ghz_willamette_socek423.jpg


0.1

1.0

2009 2014 2019 2024

年

配線

間隔

　（2

009年

比）

①ﾛｼﾞｯｸ回路②ﾌﾘｯﾌﾟ・ﾁｯﾌﾟ・ﾊﾟｯﾄﾞ③BGA

Pad size

LSI Scaling

入出力パッドのサイズ限界・パッドサイズの下限により、IO配線の帯域密度が劇的に高くなる

電気配線による高速性と低消費電力の両立性困難

JIEP_Optelectronics packaging Road map

LSIのボトルネックと光配線による障壁突破

LSIのボトルネックは、入出力信号の帯域密度の限界にある

配線長（ｃｍ）

消費

電力

（W

/ch)

・2020年代には電気配線密度に限界があり光配線が不可欠になる

電気配線の限界に到達

2006 2010 2014 2018 2022

100

10

1

0.1

I/O

帯域

密度

（Tbps/

cm

2）

IBM

Former PETRA_PJ

PECST_PJ

ITRS Road map for electrical interconnect

光配線のポテンシャルと目標

西暦（年） ITRS

光配線


光エレ実装プロジェクトの目標

電子回路LSIの限界の突破することにより、高性能･低消費電力オンチップサーバ機能の実現をはかるソフトウェア、アーキテクチャを含めた開発アプリケーションへの展開可能性

2021年度末の光電子集積サーバボードのデモ実証をめざす

Power supply CPU

DRAM

DRAM

Optical I/O

NEDO 光エレクトロニクスシンポジウム 2015.6.16 事業原簿 ○－○

プロジェクトの概要

・基盤要素技術 -光源、受光器等の部品 -超小型光回路要素部品 -光部品駆動電子回路 -要素部品実装技術 -集積化技術・革新的デバイス技術

光エレクトロニクス実装基盤技術開発

低消費電力100Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント技術

光入力

光出力

高速アナログ配線

DSP LSI

局発用狭線幅

波長可変光源

ドライバ回路

コントローラ電源

送信用狭線幅

波長可変光源

受信フロントエンド

DP - QPSK 変調器

一芯双方向波長多重光トランシーバ技術（WDM-PON）

一芯双方向光トランシーバ技術（PON）

光電子集積光通信システム

年度

光エレクトロニクス実装システム化技術開発

2012 2014 2016 2020 2018

未来開拓研究プロジェクト実施期間

プロジェクト実施期間

システム性能

光電子集積サーバによるデータセンター

5mm×5mm

小型トランシーバ基板（光I/Oコア）

LSI向け光I/O 基板

光電子集積サーバボード

光入出力ＬＳＩ

小型光送受信器内蔵光ファイバー（ＡＯＣ）

光インターフェース付 SSD

光電子集積サーバシステム

光電子集積サーバボード


２．光エレ実装プロジェクトの挑戦

光I/Oコア革新デバイス技術デジタルコヒーレント技術開発超小型光回路要素部品


光I/Oコア・低消費電力・超高速の世界最小チップ型光トランシーバを開発・5mW/Gbps、25Gbps/chの光トランシーバを5㎜角で実現

AOC LSIパッケージ

活用例

ボード内光エンジン


TX RX

光I/Oコア集積チップ外観

Tx Rx

変調器

グレーティングカプラ

受光器

光I/Oコアの構成

断面構造

光I/O（光ピン）（縦型光導波路）

・Siフォト集積チップにLD/IC搭載、光・電気I/Oを実装

10


Siフォト集積チップ

Rx 光変調器受光器

MOSキャパシタタイプSi光変調器

Si

SiO2

p-Si

n-poly-Si

p+-Si

Al via

Al via

Al via

gate-oxide p+-Si

MOSｷｬﾊﾟｼﾀﾀｲﾌﾟ・ﾏｯﾊﾂｪﾝﾀﾞｰ型 Si光変調器

• 高速 (～25 Gbps/ch) • 高変調効率(VπL < 1V・cm) • 低光損失 (<4dB) • 低駆動電圧(<1.0V)

面入射型Ge受光器 • 高速 (～25 Gbps/ch) • 高変換効率 (Q.E.> 60%) • MMFとの高結合効率 • 低バイアス電圧(<3.0V)

面入射型Ge受光器

BOX p- Si

i-Ge(1.4mm)

Al/TiN

SiO2

入射光

無反射コーティング

p+Si p+Si

Tx

光I/Oコアに集積された光変調器と受光器


・集積デバイス、光エレ実装要素技術の整合を図り光I/Oコアを設計試作

送信器

ドライバ

光源

信号IN

光I/O

電気I/O

変調器

受信器

光I/Oコア送信側 25Gbps光出力波形

光I/Oコア受信側電気出力波形

光I/Oコア

AOC基板

・5mm×5mmの光I/Oコアを開発し、25Gbps動作を実証

PIN_PD

GC 光ピン

LD

MOS変調器

光I/Oコアの動作実証

光I/Oコア評価用ボード

12


マルチモードファイバ伝送実証

25-Gbps/chでエラーフリーのマルチモードファイバ300m伝送を実証

伝送測定系

アイパターンと誤り符号率


光I/Oコアの将来のICTシステムへの展開

AOC

光ケーブル（ 25 Gbps, >10cm ）

LSI

サーバボード

Server on package

LSIチップ（I/O >1.2Tbps）

シャーシサーバシステムチップ間（10Tbps）

光I/Oコア

光電子融合モジュール

光I/Oコアのアプリケーション


小型化・低電力化に向けた革新デバイス技術

高性能･低消費電力オンチップサーバに向けた革新デバイス技術

１５


量子ドットレーザ(Quantum Dot Laser) 提案・理論解析・磁場実験 1982 荒川、榊温度安定性定電流動作(電流調整不要) 広い動作温度範囲(-40℃～220℃) 低消費電力高速/長距離伝送/高信頼性 25Gbps直接変調、20年以上の寿命低コスト/量産性 QDレーザ社の新ビジネスモデル

量子ドットレーザ量子井戸レーザ

革新的光源技術


革新的光源技術：シリコン上量子ドットレーザ

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

100 oC 110 oC 90 oC

80 oC 70 oC

60 oC50 oC40 oC30 oC25 oC

Out

put o

ptic

al p

ower

(a.u

.)

Current density (kA cm-2)


革新的光検出器技術

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.510-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

(1) Al2O3 (2) PPO & Al2O3

Curre

nt (A

)

Bias Voltage (V)

プラズマ酸化

プラズマ酸化によりGe光検出器の低暗電流化を実現


革新的光変調器技術

超小型(<100um)フォトニック結晶変調器で10Gbps動作を実現


•数10～数100kmのデータセンタ間を100Gbpsの大容量でシンプルに接続する技術を開発 •低電力デジタルコヒーレントDSP-LSI、集積光デバイスなどの要素技術と、小型トランシーバの開発し、スイッチ/ ルータのインターフェースカードから直接データセンタ間接続実現

DSP-LSI (31x31mm2)

•ルータ・サーバ機器間インタフェース技術、狭帯域化伝送技術、低電力化技術を統合し、20nm CMOSプロセスを用いたDSP-LSをI試作

• 100Gbps DP-QPSK光変調方式による良好な伝送特性(伝送距離840km)を確認

開発目標

DSP-LSI 集積光デバイス

ﾙｰﾀ・ｻｰﾊﾞ IF

送信DSP

受信DSP

狭帯域伝送

DSPコアブロック

送信用 8×15.25 ×6.2mm

受信用 16 x 30 x 5 mm

•部品の小型化・近接配置、超高精度実装技術を開発し、従来デバイスから機能削減なしに容積比1/2以下の小型化を実現

•従来サイズのデバイスと遜色ない特性（線幅・受信特性）を確認

デジタルコヒーレント伝送によるデータセンタ間接続技術開発

要素技術の開発成果

事業化 PETRA参画企業において、2015年1月からDSP-LSI、集積光デバイスの事業化を開始


•クライアント信号接続用CFP 100Gトランシーバの標準規格(145x82x14mm)にDSP-LSI、送受信光デバイスを搭載。データセンタ間相当距離(70～840km)を伝送し、エラーフリー動作を確認。

事業化 PETRA参画企業において、2015年1月からCFP-DCOトランシーバの事業化を開始、平成27年9月からCFP2-ACOトランシーバの事業化開始予定

CFP-DCOタイプデジタルコヒーレントトランシーバ

試作CFPトランシーバ内部構造光送信デバイス光受信デバイスＤＳＰ

伝送速度：32GBaud

受信コンスタレーション

Y Pol. X Pol.

誤り率

(対数値

)

受信光パワー(dBm)

トランシーバ受信感度特性

CFP2-ACOタイプデジタルコヒーレントトランシーバ • CFP-DCOのさらに半分のサイズ(108x42x12mm)を実現。CFP-DCO向けに開発したOIF準拠の光部品を適用し、DSP-LSIを外部に実装することで発熱体を分散配置。 OFC2015の展示会で動態展示を実施

従来(幹線向け)比電力1/3、実装体積1/2以下を実現

デジタルコヒーレント伝送によるデータセンタ間接続技術開発


３．スパコン vs プロセッサ(PC)

LSIの性能のトレンドが光電子融合により維持されるならば、スパコン京の2030年頃の姿は？

７


スーパーコンピュータとPC/サーバの性能のトレンド

http://www.top500.org/June 2013

京天河二号

1993

1998

2003

2008

2013

2018

1GFlops

1TFlops

1PFlops

1EFlops

地球

スーパーコンピュータ

Pentium Core i7

(Sandy Bridge)

PC/サーバ（Intel）


8cm

合計約２４００チップ

・京スパコンを100万分の１・脳機能コンピューティング・革新的光デバイス野球ボール大スパコン

約80チップ (20x4)

サーバラック

超小型スパコン～野球ボール大スパコン

現在 20年後

On-board サーバ

10年後

光電子サーバクラスタ

<50cm

光電子プリント基板

<5cm

光電子集積サーバ

LSI

光電子集積インターポーザ

・データセンタレベルでの運用可能性検証・消費電力30％削減

（NEDOプロジェクト）

到達には技術ギャップが存在


４．野球ボール大スパコンのインパクト

脳機能コンピュータ（超人的人工知能）～クラウドから分散型へのパラダイムシフト～

新産業革命の牽引役へ

７


まとめ

シリコンフォトニクスの将来像 10年後には、オンチップサーバ 20年後には、手のひらに、スパコン（野球ボール大、手鞠状）新産業革命の牽引役超人的人工知能

Power supply CPU

DRAM

DRAM

Optical I/O

数年後 10年後

20年後

ご静聴ありがとうございました

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