シリコンフォトニクス（SiPh）トランシーバーとは何ですか。また、従来のモジュールとの違いは何ですか？

データセンターの速度が800G、さらには1.6Tへと進化する中、Silicon Photonics（SiPh）として知られる技術が光モジュール技術の変革を加速させ、業界の構図を一変させています。では、Silicon Photonicsトランシーバーとは具体的に何なのでしょうか？また、従来の光モジュールとは根本的にどのような点が異なるのでしょうか？

シリコンフォトニクス技術の進化

1969年に米国のBell Laboratoriesが集積光学を提唱してから、Intelなどの企業が技術的ブレークスルーの推進を支援するためにシリコンフォトニクス分野へ参入し始めた21世紀初頭までに、SiPhは徐々に産業化と技術加速の段階へ移行しました。2008年以降、LuxteraやIntelを含む企業が商用シリコンフォトニック集積製品の提供を開始し、SiPhチップが正式に市場へ参入したことを示しました。これは、400Gや 800Gモジュール.

Silicon Photonics技術の発展は、大きく4つの段階に分けられます。第1段階では、シリコンベースの材料を使用して光通信の基盤となるコンポーネントを製造し、ディスクリート光コンポーネントを徐々に置き換えます。第2段階では、集積技術がハイブリッド集積からモノリシック集積へと進化し、単一チップ上でさまざまな機能を実現するために各種コンポーネントが組み合わされます–これがSiPh技術の現在の状態です。第3段階は将来的に、光電子技術の融合によって完全な光電子集積を実現すると期待されています。そして第4段階では、デバイスをマトリックス状に配置された複数のシリコンユニットに分解し、カスタマイズされたプログラミングによってプログラム可能な機能を可能にし、その結果プログラマブルチップが実現します。

シリコンフォトニクス光モジュールの概要

SiPh光トランシーバーとは？

SiPh光トランシーバー は、シリコンフォトニクス技術を基盤とする光モジュールです。シリコンフォトニクスモジュールを理解する前に、まずシリコンフォトニクス技術とは何かを明確にする必要があります。 

SiPhは、既存のCMOS製造プロセスを活用し、SiGe/SiやSOIなどのシリコンおよびシリコンベースの基板材料を使用して光デバイスを開発・統合するための次世代技術です。

シリコンフォトニクスモジュールの中核となるコンセプトは  「電気を光に置き換える」ことであり、データ伝送に電気信号の代わりにレーザービームを使用することを意味します。シリコンフォトニクスは、SiPh光トランシーバー内の光学部品と電子素子を単一の独立したマイクロチップ上に統合することで、光信号処理と電気信号処理の高度な統合を可能にし、最終的に真の光インターコネクトを実現します。

シリコンフォトニクス設計の利点

まず、光モジュールを大量に使用する必要があるデータセンターにとって、SiPhモジュールの最大の利点は、依然として低コストであることです。

インターネット業界の発展に伴い、光モジュールに対する需要は、小型化と高性能化へとますます移行しています。小型化の流れの中で、従来の光モジュールは、伝送速度を向上させようとすると性能低下が深刻になるという課題に直面しています。Silicon Photonicsトランシーバーは、従来のモジュールにおける多チャネル化に起因する消費電力などの性能上のボトルネックを克服するだけでなく、レーザーのコストも削減します。

従来のモジュールコストでは、フォトニックチップが総コストの約40%を占め、レーザーが約20%を占めます。レーザーコストを75%削減すると、モジュール全体のコストを約15%削減できます。Silicon Photonics技術を活用することで、変調器と受動光路を単一チップ上に高度に集積でき、チップコストを大幅に削減できます。

低消費電力もSiPh設計の利点の一つです。データ伝送において従来の電気信号を光信号に置き換えることで、Silicon Photonics技術は、高速相互接続時の抵抗損失や信号減衰によるエネルギー消費を効果的に削減します。 

3つ目の利点は、高集積化と小型化です。SiPh設計ではCMOS技術を利用して、変調器、検出器、導波路などの複数の光学部品を単一のシリコンフォトニックチップ上に統合することで、小型化、高密度化、パッケージングの簡素化、信頼性の向上を実現します。

シリコンフォトニクストランシーバーのデメリット

Silicon Photonicsモジュールはさまざまな面で利点がある一方、現在の技術水準では依然として課題に直面しています。これらのデバイスは、シリコン導波路と光ファイバー間の結合効率が低く 、損失が大きいため、短距離から中距離の伝送にしか適していません。さらに、シリコン基板上へのIII-V族化合物材料の集積には、2つの材料間の互換性の問題があり、SiPhチップのウェハ歩留まりが低くなります。最後に、現在、400G未満のデータレートではコスト上の優位性がありません。

シリコンフォトニクスモジュールの用途

シリコンフォトニクスモジュールは、短距離かつ高帯域幅が求められるシナリオに非常に適しています。AIデータセンターのGPUクラスターには、800G、さらには1.6Tの相互接続が必要です。シリコンフォトニクスモジュールの低消費電力と高密度により、TCOを削減できます。さらに、CPO技術により、シリコンフォトニクスエンジンとスイッチチップをゼロ距離でパッケージ化でき、遅延をさらに低減してAIトレーニングにおける低遅延の要件を満たします。

SiPhモジュールと従来のトランシーバーモジュールの違いとは？

技術アーキテクチャと素材

従来型光モジュールの主流となる技術方式は「ハイブリッド集積」であり、一部の 主要な光デバイスには依然としてIII-V族化合物半導体が使用されています。たとえば、レーザーにはInPが、変調器にはGaAsまたはLiNbO3が使用されています。これらの材料には、光軸調整を含む複雑な組み立て工程が必要であり、多くの手作業を伴います。100G従来型モジュールを例に挙げると、4基の25Gレーザー、4基の変調器、マルチプレクサ／デマルチプレクサなど、10個を超える部品の位置合わせとパッケージングが必要であり、工程数は30を超えます。

Siphモジュールはシリコンを基材とし、CMOS半導体プロセスを使用してシリコンウェハー上に光導波路、変調器、検出器、その他のコンポーネントをエッチングすることで、モノリシック集積を実現します。このプロセスはCPU製造と互換性があり、Intelなどの企業の成熟した生産ラインを量産に活用できるため、製造工程数を60%削減でき、規模拡大に向けた大きな可能性を備えています。

 （出典：Broadcom）

集積密度とモジュールサイズ

従来の光モジュールの統合は、材料と精度の課題によって妨げられています–データレートを2倍にするには、ほぼ2倍の数のコンポーネントを組み合わせる必要があります。たとえば、従来の400Gモジュールは8つの50Gチャネルで構成されており、100Gモジュールよりもはるかに大きくなります。1Uスイッチに導入できる従来型400Gモジュールは最大32個であり、スペース利用率は限界に達します。

SiPh modulesは、フォトニック集積技術を利用して数十個の光学部品を1cm²のシリコンチップ上に集約します。たとえば、800G Silicon Photonics moduleのコアチップは爪ほどの大きさで、8つの100Gチャネルを集積しています。この高密度という特性により、1U switchに64個の800Gポートを搭載でき、帯域幅密度が2倍になり、データセンターの高帯域幅需要を完全に満たします。

コストとスケーラビリティ

従来の光モジュールの多くは手作業で位置合わせ、パッケージング、テストが行われており、特に極めて高い精度が求められる高速製品では、コストが高止まりしています。この技術的アプローチは、さらに高いデータレートへの拡張を試みる際に限界に直面します。

これに対し、シリコンフォトニクスモジュールの製造プロセスは、成熟したCMOS集積回路プロセスと互換性があります。これにより、既存の大規模な半導体サプライチェーンを活用し、大量かつ標準化された生産を実現できます。技術が成熟すれば、シリコンフォトニクスモジュールには大幅なコスト削減の可能性があり、より高いデータレートや、より複雑な機能へ容易に進化できるため、優れた拡張性を提供します。

性能特性

従来の光モジュール技術は成熟しており、安定した信頼性の高い性能を提供し、超長距離伝送などの特定の用途では、今なお代替不可能な優位性を有しています。Silicon Photonicsモジュールには、消費電力と集積度の面で大きな利点があります。しかし、そのレーザーには依然として外部結合が必要であり、これが技術的課題の一つとなっています。それでも、CPO技術の発展により、消費電力と遅延をさらに削減でき、これはまさに将来の超大規模データセンターに求められるものです。

1.6Tシリコンフォトニクスは量産化されるか？

人工知能の爆発的な成長に伴い、高速光モジュールの需要が急増しています。さらに、シリコンフォトニクス技術がより合理化された製品アーキテクチャを提供することから、主要な光モジュールメーカーは、継続的な投資を維持しながら、シリコンフォトニクスチップおよび関連技術において相当な技術的専門知識を蓄積してきました。その結果、シリコンフォトニクス技術に基づくモジュールは、データセンターでますます好まれるようになっています。シリコンフォトニクスのサプライチェーンが成熟し続ける中、1.6T SiPhモジュールは2025年頃に大規模展開へ向かうと予想されています。さらに、1.6Tシリコンフォトニクス光モジュールの量産は、単一技術のブレークスルーにとどまらず、光チップ、電気チップ、パッケージングプロセス、材料科学、熱管理を含む一連の最先端技術に関わるシステムレベルの協調的ブレークスルーであることにも留意する必要があります。これはまた、1.6T市場で競争できるメーカーの数が800G時代よりも大幅に少なくなり、業界参入障壁が大きく高まることを意味しています。

シリコンフォトニクストランシーバー市場の将来

Yole Intelligenceの最新予測によると、Silicon Photonicsモジュール市場は急速な成長段階に入っています。2029年までに、Silicon Photonicsモジュールの世界売上高は103億ドルに達すると予想されています。

その中で、データセンター向けのプラガブルシリコンフォトニクスモジュールが最大のシェアを占め、予測収益は約53億ドルで、市場全体の52%を占めます。WDMアプリケーション向けシリコンフォトニクスモジュールは、約46億ドルの収益を生み出すと見込まれ、市場の45%を占めます。さらに、データセンター光I/Oインターフェース、NPO & CPOアーキテクチャ、通信無線、その他のアプリケーションなどの市場セグメントも徐々に拡大しており、合わせて2億ドルを超える市場収益に貢献しています。

Yoleのデータによると、出荷数量ベースで、世界のシリコンフォトニクスモジュールの出荷数量は2024年にすでに約600万個に達しており、2025年には1,250万個を超え、2029年までには1,800万個に達する可能性があると予測されています。

結論

シリコンフォトニクス光モジュールは、フォトニクスとCMOS技術の長所を組み合わせ、低コスト化、高集積化、熱性能および帯域幅性能の向上を実現します。高性能コンピューティング、大規模AIトレーニング、通信相互接続の需要に対応するための重要なソリューションとなりつつあります。