研究者らは、光で通信でき、現在のチップ技術と比べて高価にならないシリコンチップを製造する方法を開発しました。
光によるデータ転送が可能な新しいマイクロチップ技術は、データ転送を高速化し、エネルギー消費を桁違いに削減することで、現在のデバイスにおける深刻なボトルネックを解決できる可能性があります。
現在のマイクロエレクトロニクスチップ間の電気信号伝送におけるボトルネックにより、光通信は今後の技術的進歩に残された数少ない選択肢の一つとなっています。従来のデータ転送方法である電線には、データを転送できる速度と距離に限界があります。また、多くの電力を消費し、熱も発生させます。電子機器においては、より高い性能と低消費電力への絶え間ない需要があり、これらの限界に達しつつあります。しかし、今回の新たな開発により、このボトルネックは解決可能になりました。
「1本の電線で毎秒約10ギガビットを伝送する代わりに、1本の光ファイバーで毎秒10~20テラビットを伝送できます。つまり、同じ占有面積で1000倍の伝送量になります」と、ボストン大学で電気・コンピュータ工学の准教授を務め、本研究の主要研究者の一人であるミロス・ポポヴィッチ氏は述べています。同氏のチームは以前、研究の一部が行われたコロラド大学ボルダー校に所属していました。
「電線を光ファイバーに置き換えると、二つの利点があります」と同氏は述べています。「第一に、光を用いれば、銅線のような大きなエネルギー損失なしに、はるかに高い周波数でデータを送信できます。第二に、光学技術では、一本のファイバー内で複数の異なる色の光を使用でき、それぞれが データチャネルを伝送できます。また、ファイバーは、クロストークを起こすことなく、銅線よりも密に束ねることができます。」
製造上の課題
これまで、コンピュータやスマートフォンに使用される最先端チップに、フォトニクス機能を統合する上で、製造上の障壁が進歩を妨げてきました。現代のプロセッサは、一つのチップ上で連携して動作する10億個のトランジスタを打ち抜くことができる、高度に発達した産業用半導体製造プロセスによって実現されています。しかし、これらの製造プロセスは精密に調整されており、現在の電気的機能を維持したまま、チップに光デバイスを組み込む手法を設計することは困難でした。
この障壁の克服における最初の大きな成功は、2015年に同じ研究グループが論文を Nature に発表したときのことです。この論文は、この問題を解決したものの、商業的に関連性のある範囲は限定的でした。
この論文では、フォトニックデータ転送機能を備えた世界初のマイクロプロセッサと、産業用製造プロセスを変更することなく製造する手法が示されました。研究者らはこれを「ゼロチェンジ技術」と呼んでいます。ポポヴィッチ氏が共同創業者兼技術顧問を務めるスタートアップ企業であるAyar Labs, Inc.は、この技術の商用化に向けて、大手半導体メーカーのGlobalFoundriesと最近提携しました。
この初期の解決策は、特にデータ通信分野において大きな商業的インパクトをもたらすことが期待されますが、出発材料である絶縁体上シリコン（SOI）が高価であるため、その最終的な適用範囲は限定されています。すべてのシリコンマイクロエレクトロニクスに対応する解決策を開発するために、研究者らは、主流で低コストの出発基板であるバルクシリコンの利用に注力する必要がありました。バルクシリコンは、一般的なマイクロチップの大半の製造に使用されており、ノートパソコンやスマートフォンに使われているものです。絶縁体上シリコンは、バルクシリコンよりも高い性能を発揮しますが、コストが大幅に上昇するため、主に一部の高性能プロセッサに使用されています。
バルクシリコンの利点
バルクシリコンと絶縁体上シリコンの違いは、後者には、薄いシリコン層の直下に、通常は非常に純度の高いガラスからなる絶縁層があるのに対し、前者にはこの層がない点です。ガラスは光の粒子に対する障壁として機能し、デバイス内の光導波路に光を閉じ込めます。このガラス障壁がなければ、光信号は失われてしまいます。
同じく Nature に掲載された最新の論文では、研究者らは、バルクシリコンチップのフォトニック処理部分に、新たな材料層を導入する製造ソリューションを提示しています。この変更により、電子機器に影響を与えることなく光通信が可能になることを実証しています。
ニューヨーク州立大学オールバニ校ナノスケール科学工学研究科の産業用半導体製造研究者と協力してこの解決策を開発することで、研究者らは、開発されたいかなるプロセスも、現在の産業レベルの製造にシームレスに組み込めることを確実にしました。
この成果は、カリフォルニア大学バークレー校の電気工学准教授であるウラジミール・ストヤノヴィッチ氏が当初主導した数年にわたるプロジェクトを完了させるものです。より最近では、マサチューセッツ工科大学（MIT）の電気工学教授であるラジーブ・ラム氏が研究を主導しています。ストヤノヴィッチ氏とラム氏は、このプロジェクトにおいてポポヴィッチ氏の共同研究者です。
「フォトニックデバイス向けの追加材料層の特性を慎重に調査し最適化することで、競合技術と比べてはるかに安価なプロセスから出発しながら、帯域密度とエネルギー消費の点で、システムレベルの最先端性能を実証することができました」と、ポポヴィッチ氏の研究グループの元ポスドク研究員であり、本論文の共同筆頭著者で、プロジェクトにおけるフォトニック送信デバイスの設計とチップ組立てを主導したファビオ・パヴァネロ氏は述べています。
最先端のバルクシリコン製マイクロエレクトロニクスチップにフォトニクスを導入する新たなプラットフォームは、より高速でエネルギー効率の高い通信を実現し、コンピューティングとモバイル機器を大幅に向上させる可能性があります。従来のデータ通信を超える応用としては、画像認識や音声認識に用いられる深層学習型人工ニューラルネットワークの学習の高速化、自動運転車、スマートフォンの顔認証、拡張現実技術に用いられる低コストの赤外線LIDARセンサーなどが挙げられます。
さらに、光学機能を備えたマイクロチップにより、新しい種類のデータセキュリティやハードウェア認証、第5世代（5G）無線ネットワーク上で動作するモバイル機器向けのより高性能なチップ、そして量子情報処理およびコンピューティング向けの部品が実現する可能性があります。
本研究はDARPAの資金提供を受けています。
