Co-Packaged Optics とは｜光をチップの隣まで近づける理由

解説：Co-Packaged Optics の略で、日本語では光電融合と呼ばれることもあります。スイッチの半導体チップのすぐ隣に、光と電気を変換する部品を同じパッケージに載せてしまう技術です。これまで装置の前面に挿していた光モジュールを、チップの横まで引っ越させる、と考えると分かりやすいかもしれません。

解説：電気の信号を基板の上で長く引き回すのが、速度の面でも電力の面でも限界に近づいてきたからです。通信の速度が上がるほど、配線を通るあいだに信号は弱くなり、それを補うための回路が電力を食います。光学の部材を作る側から見ると、この変化は仕事の中身が変わることを意味します。順番に見ていきます。

解説：プラガブル光トランシーバーと呼ばれる、抜き差しできる光モジュールを装置の前面に並べる形です。スイッチの半導体チップから出た電気信号は、基板の配線とコネクタを通って前面まで運ばれ、そこで初めて光に変わります。この「運ぶ距離」が、速度を上げるほど重たくなってきました。

解説：NVIDIA の技術資料では、200ギガビット毎秒のチャネルで最大22 dB の電気的な損失が生じると説明されています。信号が目減りするぶん、送る側で強く押し出し、受ける側で整える必要があります。CPO にしてチップの隣で光に変えると、この損失はおよそ4 dB まで下がるとされています。

解説：補正のための回路が小さくて済み、電力が下がります。同じ資料では、インターフェースあたり30W ほどだった消費電力が9W まで下がり、以前の構成と比べて電力効率は3.5倍になると説明されています。信号の品質は64倍、故障しうる光部品の数が減ることで信頼性は10倍という数字も挙げられています。

解説：そこは後で触れます。まず、なぜここまでして光を近づけるのか、その事情を見ておきます。

解説：大きく関係しています。Broadcom の発表では、生成 AI のクラスターでは光の接続が前段のネットワークでも後段でも欠かせず、プラガブル光トランシーバーがシステム全体の電力のおよそ50%、コストの半分以上を占めると説明されています。GPU が増え、1台あたりの帯域が上がるほど、この割合は効いてきます。

解説：そのとおりです。計算する側をいくら速くしても、つなぐ側が電力と費用を食い続けると、全体としては割に合わなくなります。だから各社は、電気で運ぶ区間をできるだけ短くして、早い段階で光に移そうとしています。

解説：Broadcom が2024年3月に顧客への出荷を発表した Bailly は、毎秒51.2テラビットのイーサネットスイッチです。6.4テラビットのシリコンフォトニクス光エンジンを8個、スイッチチップと組み合わせた構成で、光の接続にかかる電力はプラガブルと比べて70%低く、シリコンの面積効率は8倍と説明されています。

解説：NTT が進めている光電融合が、まさにこの領域です。研究所の記事では、第2世代のデバイス PEC-2 について、1台あたり32チャネル、合計3.2テラビット毎秒の帯域を扱えると説明されています。消費電力12W の従来型トランシーバー8台分に比べ、48W と半分に抑えられるという数字も挙げられています。

解説：同じ記事では、6.4テラビット毎秒の PEC-2 を毎秒102.4テラビットのスイッチチップに実装し、従来のスイッチ装置と比べて50%の電力削減を目指す、という開発の方向も示されています。ここから先は、部材を作る側の話に移ります。

解説：Broadcom の説明では、Bailly の光エンジン1つに数百点の光学部品と数億個のトランジスタが集積されています。光源、電気と光を変換する素子、波長を合成・分離する部分、そしてファイバーへ光を導く結合部まで、まとめて1つの小さな部品に収まっています。光学部品が「装置に取り付ける部品」から「半導体の中に組み込む部品」へ移っているのが、この分野の大きな変化です。

解説：求められる精度の桁が変わります。光導波路とファイバーの結合では、位置がわずかにずれるだけで光の量が落ちます。Broadcom は、端面で結合するファイバー取り付けを高度に自動化した製造方法によって量産を可能にした、と説明しています。精度を職人の手ではなく、工程の設計で担保するという発想です。

解説：波長ごとの透過率や反射率に加えて、半導体の工程に耐えるかどうかが問われます。実装のときの温度、樹脂や接着剤から出るガス、微細な異物、そして長期間の信頼性です。どれも、カメラ向けの部材で積み上げてきた考え方と地続きです。

解説：中を直接のぞけないので、光を入れて出てくる量や波形で判断します。ここで効いてくるのが、測る側と作る側で数値がそろっているかどうかです。同じサンプルを双方で測って値が合わない状態では、良品と不良品の線引きそのものが成り立ちません。測定の条件をそろえる作業は地味ですが、量産の立ち上げでは最初にぶつかる壁です。

解説：どの工程で生まれたのかを切り分けていきます。光源なのか、結合部の位置ずれなのか、実装のときの熱や応力なのか。原因が特定できたら、同じ条件で作った製品すべてに水平展開して確認します。部品が一体化しているぶん、切り分けの手間は増えます。

解説：4つに整理できます。1つ目は熱です。発熱するスイッチチップのすぐ隣に、温度で特性が変わる光の部品を置くことになります。2つ目は結合で、光導波路とファイバーの位置合わせを量産の速度で繰り返す必要があります。

解説：3つ目は保守です。プラガブルなら不良のモジュールだけ抜いて替えられますが、CPO では簡単にいきません。4つ目は歩留まりで、高価なスイッチチップと光エンジンを同じパッケージに載せるため、どちらか一方の不良が全体の損失になります。一体化で得をする部分と、一体化で失う自由度の、その差し引きで採用が決まります。

解説：レーザーは熱に弱く、寿命の面でも弱点になりやすい部品です。そこで光源だけをパッケージの外に置き、光ファイバーで中へ導く構成が取られることがあります。交換しやすくなる一方で、導く経路での損失や、戻り光を抑える部品が新たに要ります。どちらの構成にも一長一短があります。

解説：役割が分かれています。日本は材料と、光源や受光素子の周辺に強みがあり、NTT の光電融合のように研究から製品化へ進めている例もあります。台湾は半導体の後工程と実装の層が厚く、スイッチチップと光エンジンを1つのパッケージにまとめる工程が得意です。中国は量産の規模と、部材の価格競争力を持っています。

解説：完結しません。だからこそ、どこで何を作り、どこで組み上げるかの設計が重要になります。部材の仕様を決める段階で、実装する側の工程を知らないと、量産に入ってから手戻りが起きます。測定の方法と基準を、取引先とそろえておくことも欠かせません。

解説：あります。波長ごとの設計、反射の抑え方、異物と欠陥の管理、量産でのばらつきの詰め方は、分野が変わっても共通しています。扱う波長と要求精度は違いますが、考え方の土台は同じです。

解説：そのとおりです。外から見える光学部品は減っても、中で求められる精度と信頼性は上がっています。カメラの分野で積み上げてきた、波長ごとの設計や異物の管理、ばらつきを抑える工程の考え方は、この領域でも通用します。NW では、低反射コーティングや遮光インキといった光学部材を扱っています。くわしくは製品・サービスをご覧ください。