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ポリマー光導波路・光学素子間光結合の高効率化に関する研究 (本文)

森本, 祥江 慶應義塾大学

2020.03.23

概要

情報通信技術(Information Communication Technology：ICT)の発展とともに，我々の社会も発展を遂げてきた．FTTH(Fiber To The Home)が爆発的に普及し，光ファイバ通信が 21 世紀の基幹的通信インフラとなって以来，インターネットを介して授受される情報通信量は飛躍的に増加し，我々の生活にとって不可欠な存在となった．さらにスマートフォンやタブレット端末などのスマートデバイスが広く普及したことにより， SNS(Social Networking Service)や音楽・動画配信サービスといった情報コンテンツを手軽に利用できるようになってきている．高音質，高画質データをより多く，より高速に提供するサービスやアプリケーションの開発が活発化し，利用される情報通信量は著しい増加傾向にある．また，昨今ではこのようなサービスによりユーザから収集した大量の情報(ビッグデータ)の処理・活用や，人工知能(Artificial Intelligence：AI)を介した自動運転やモノのインターネット(Internet of Things：IoT)の普及など，高速情報処理や通信技術を基盤とする ICT 技術が脚光を浴びている．

このような背景から，大規模なシステムで高速演算処理を行うハイパフォーマンスコンピュータ(High Performance Computer：HPC)の様々な分野への応用が進んでいる．これまで注目を集めていた科学技術計算用途にとどまらず，ビジネスにおけるビッグデータ処理など，今後の IoT 時代の到来へ向けて，HPC への要求がより一層高まっていくことが予想される．実際に，近年のHPC の演算性能向上は目覚ましく，2019 年に実行演算性能 1 位のスーパーコンピュータは 148.6 ペタフロップスの処理能力を達成している[ 1-1]．HPC の演算性能は，10 ~ 15 年ごとに 3 桁ずつの成長を遂げていることから，2020 ~ 2023 年にはエクサフロップス，2033 ~ 2038 年にはゼタフロップススケールに到達すると予想されている．

また，大量のデータの送受信，保存管理は産業活動において非常に重要であり，それを担うデータセンタシステムへの要求は高まるばかりである．特に，近年のクラウドコンピューティングの急速な発展に伴い，データセンタ内での情報の取扱量(IP トラフィック量)の増大が著しく，2019 年度末には 10.4 ZB に達すると予想されている．過去 5 年間にかけての年平均増加率は約 25%に及ぶと予想され[ 1-2]，今後のデータセンタ市場の永続的な成長が見込まれる．

これらコンピューティング・システムを担う通信技術の発展を支えるのが，光インターコネクト技術である．従来，コンピューティング・システムに用いられてきた電気配線では，表皮効果により高周波の信号損失が生じるため，高速通信を行う際には伝送距離に制限がかかる．また，伝送容量拡大のために並列伝送を行う際には，クロストークの増大が懸念されるため，配線の高密度化にも制限がある．Fig. 1-1 に，伝送距離及びデータレートごとの，電気リンク及び光リンクの市場導入実績を示す．伝送帯域距離積によって電気リンクと光リンクの棲み分けがなされており，電気リンクが実現できる伝送帯域距離積の限界は 100 Gbps∙m であるとされる[ 1-3]．また，電気配線の場合，配線から発生する熱を処理するための冷却装置の導入が不可欠となる．データセンタ内で消費される電力のうち，装置の冷却にかかる電力が全体の 45％近くを占めており，低消費電力化に支障をきたしている[ 1-4]．また，Fig. 1-2 に示した電気・光インターフェースの消費電力動向からわかるように，電気リンクではインターフェースレベルでの省電力化にも制限がある．

以上のように，従来の電気リンクでは，限られた電力にて，現在のスケールアウト・コンピュータの性能を十分に発揮するに足るデータ伝送速度を達成することは困難である．そこで，コンピュータ筐体内部の電気配線を光配線へと置き換える，光インターコネクト技術に注目が集まることとなった．光インターコネクト技術の導入により低消費電力を実現しながらも高密度配線化，広帯域通信化を実現できる．

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参考文献

第一章 Reference

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[ 5-21] 藤原悠人，2018 年度慶應義塾大学修士論文 (2019).

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