人工知能、クラウドコンピューティング、高性能データセンターが世界的により高速な計算の需要を推進する中、研究者たちは伝統的な電子技術を超えるソリューションを求めています。マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームは、答えがより効率的に電子チップとフォトニックチップを統合することにあると考えています。この課題は、次世代の光学計算の普及を長年にわたり妨げてきました。MITは、FUTUR-IC研究プロジェクトを通じて、将来のマイクロチップが毎秒1ペビバイト以上のデータを転送しながら、エネルギー消費を大幅に削減するのに役立つ一連の進展を明らかにしました。
研究の焦点は、新しいデバイスにあり、これらのデバイスは電力を使用して情報を処理する電子デバイスと光を利用して情報を伝送する光学デバイスの統合を簡素化します。
MITのFUTUR-ICプログラムがフォトニクスと電子技術の統合を推進
研究者によると、これらの技術は既存の半導体製造設備を使用して製造できるため、大規模な応用の実用性が高まります。シリコンフォトニクスの大きなボトルネックを解決するために、エンジニアたちは光学の共同パッケージングを、サーバーや高性能計算システム内部のデータ転送を改善する最も有望な方法の一つと見なしています。光通信のエネルギー消費は電気的相互接続よりもはるかに低く、データセンターが人工知能のワークロードやクラウドサービスの拡大に伴い、ますます魅力的になっています。しかし、フォトニックチップと従来の電子プロセッサを統合することは、依然として技術的に困難でコストが高いです。
MITのFUTUR-ICプログラムは、光学パッケージングを簡素化するコンポーネントの開発を通じて、この課題を解決することを目指しています。
最新の進展には、光子デバイス間で光をより効率的に転送することを目的とした2種類の新しい光学カプラー、すなわちエバネッセントカプラーと勾配屈折率（GRIN）カプラーが含まれています。チームはまた、胡覚軍教授が率いる研究者たちが以前に開発した第三のカプラーを強調しました。これらのデバイスは、研究者が「はんだボール」と呼ぶ光学的同等物を共同で表しており、これらの小さな金属接続は今日の電子チップ間で接続を行います。これらの光学接続はもはや電気信号を伝達せず、光をフォトニックデバイス間で転送し、将来の電子-フォトニックパッケージングをより組み立てやすく、製造しやすくする可能性があります。
フォトニクスの重要性は、データ転送速度の向上に伴い増加する抵抗とエネルギー損失に直面する電気信号とは異なり、光通信がより低いエネルギー消費で膨大な情報を伝送できることにあります。FUTUR-ICの責任者であるAnu Agarwalによれば、このプログラムの長期目標は、データ転送速度を現在の数百テラビット毎秒から1ペビビット毎秒以上に引き上げることです。研究チームは、電子を主に計算に使用し、通信にフォトニクスを依存させることで、将来の計算インフラストラクチャのエネルギー需要を大幅に削減できると考えています。人工知能モデルがますます大規模化し、クラウドサービスが拡大する中、データセンターは今後ますます多くの世界の電力を消費すると予想されています。
フォトニック統合技術が未来の計算インフラに新たな解決策を提供
フォトニック統合は、半導体業界が帯域幅を向上させながら不釣り合いに消費電力を増加させない最も有望な方法の一つと広く見なされています。異なるアプリケーション向けに異なるカプラーを開発することで、MITの研究者たちは単一の汎用ソリューションを開発するのではなく、異なるニーズに応じて最適化された複数の光学カプリング方法を作成しました。GRINカプラーは、より広範な波長互換性を提供し、より広い光学信号範囲で動作できるようにします。一方、エバネッセントカプラーは製造が容易で、より密にパッケージ化でき、限られたスペース内で多数の光学接続を必要とするアプリケーションに適しています。研究者によると、将来の電子-フォトニックシステムは、製造の複雑さ、光学効率、統合密度の間で異なるバランスを取るために、複数のカプリング技術を必要とする可能性があります。
FUTUR-ICプログラムの範囲は、半導体ハードウェアに限られません。このプログラムは、Earthsterというモデリングプラットフォームも立ち上げ、企業が半導体製造の環境影響を評価するのを支援し、製品内のエネルギー使用、材料消費、炭素排出のホットスポットを特定します。さらに、このイニシアティブは、オンラインコース、トレーニングキャンプ、半導体資源効率に焦点を当てた教育リソースを通じて労働力のトレーニングを行っています。これらの技術の商業的展開にはまだ時間がかかりますが、この研究は業界で最も根深い課題の一つ、すなわちフォトニクスと従来の電子デバイスを効率的に統合することを解決しています。