【SiPhシリーズ】台積電（TSMC）が2024年北米技術フォーラムを開催

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發布日期： 2024-05-03

台積電（TSMC）は4月24日に2024年北米技術フォーラムを開催し、A16、NanoFlex、N4C、CoW、シリコンフォトニクス統合、自動車用先進パッケージなど、多くの製造技術の発展動向を発表しました。その中でも、光電業者が特に関心を持つ項目として、「共同封裝光學」（Co-Package Optics）、および「緊湊型通用光子引擎」（Compact Universal Photonic Engine, COUPE / 3D Optical Engine, OE）などのシリコンフォトニクス関連技術があります（図1参照）。TSMCはこのフォーラムで3D光学エンジンのロードマップを概説し、12.8 Tbpsの光伝送を目指す計画を示しました。

圖1 台積電3D光引擎

資料來源：tsmc 2024 North America Technology Symposium

TSMCは、高速で信頼性のあるデータ伝送とAIのネットワーク消費電力の低減に光学が非常に重要であると考えています。そのため、SoIC-Xプロセスを利用して、65ナノメートルのEIC（電子チップ）をPIC（フォトニックチップ、図1の黄色部分であるSiPh）に積層する、いわゆるEIC-on-PICを提案しています。これにより、接続密度を高め、システム消費電力を低減します。このようにして、電子チップ（EIC）とフォトニックチップ（PIC）を積層することで、3D Optical Engineが実現します。TSMCは、SoIC-X接続が非常に低いインピーダンスを持ち、消費電力を大幅に低減できると主張しています。

TSMCはさらに3D Optical Engineを「緊湊型通用光子引擎」（COUPE）として開発し、光トランシーバーモジュール、光スイッチ、CPUや他のチップ間のデータ伝送に応用する予定です。TSMCはこの技術のロードマップを設定し、2025年までに小型プラグイン式（Octal Small Form Factor Pluggable, OSFP）コネクタCOUPEの検証を完了し、1.6 Tbpsの伝送速度を達成することを目指しています。

TSMCは2026年までにCOUPEとスイッチを統合し、「共同封裝光學元件」（Co-Packaged Optics, CPO）を実現する予定です。この時点で、OEの速度は6.4 Tbpsに向上し、消費電力はホットプラガブルタイプ(功耗較熱插拔式)の1/2以下に、遅延は1/10以下に減少します。つまり、TSMCの第二世代シリコンフォトニクス技術はCOUPEをCoWoSパッケージに統合し、CPOを完成させることを意味します。これにより、マザーボード間の速度は6.4 Tbpsに達し、TSMCが2026年にCPOスイッチを成功裏に完成させた場合、CoWoSは成功のデモンストレーションケースとなります。これにより、チップをウェーハ上に積層し、基板上で共同封止することで、チップセットに必要なスペースを減らし、チップ間の伝送速度を向上させ、消費電力を減らすだけでなく、「光」をパッケージに統合することで、先進パッケージングの革命的な鍵となる技術を実現します。

同様に、将来的にはチップセット間の通信（インターコネクト）にもTSMCのCOUPE光伝送ソリューションを採用し、全体のチップセット、メモリ（HBM）、複数のCOUPEを共同封止することができます。TSMCの技術ロードマップによれば、OEの伝送速度は12.8 Tbpsに達し、消費電力は元の0.1倍以下、遅延は0.05倍以下に大幅に低減し、エネルギー消費および遅延を大幅に削減します。TSMCの第三世代シリコンフォトニクス技術の目標は、処理チップ、メモリ、COUPEの封止を行い、チップ間の伝送速度を12.8 Tbpsに引き上げることです。ただし、この技術はまだ探索段階にあり、明確な発表時期は定まっていません。

TSMCがシリコンフォトニクスの今後2年間の開発マイルストーンを設定

COUPEは、TSMCが2021年にシリコンフォトニクス向けに提案した3D立体チップ積層パッケージ技術であり、シリコンフォトニクスチップと回路制御チップを統合し、単一の光学エンジンとすることができます。2025年にTSMCがCOUPEの検証を完了した後、この技術を迅速にホットプラグ対応の光トランシーバーモジュール市場に投入し、1.6 Tbpsの伝送速度を実現することで、AIデータセンター内の機器間の通信帯域幅のニーズに応えることができます。

さらに、TSMCは2026年にCOUPE光エンジンとスイッチを統合する計画を立てており、CoWoSプロセスを利用してCOUPEとスイッチを一つのCPOとしてパッケージ化し、伝送速度を6.4 Tbpsに引き上げ、チップ間の伝送問題を解決します。将来的には、CPUやGPUとメモリなどのチップレット間の伝送速度を12.8 Tbpsまで向上させることができます。

これらのソリューションは、ウェーハレベルの統合パッケージを通じて、従来の光通信が直面するエネルギー消費と熱管理の問題を解決し、チップ間の光信号通信を実現するものであり、生成AIや大規模言語モデルの計算能力と通信ニーズを満たすのに役立ちます。

他社の事例

他のウェーハメーカー、例えばIntelやGlobalFoundriesも、シリコンフォトニクス分野で早期に取り組んでいます。Intelは早くも2009年に「Light Peak」技術を発表し、VCSELレーザーと光ファイバーを通じて10 Gbpsの速度でコンピューターと他のデバイス間の汎用接続を実現する技術を提案しました。しかし、コストの観点から、Intelは光ファイバーを捨てて銅線を使用することにしました。Light Peakはその後、Thunderboltとして知られるようになりましたが、失敗に終わりました。最近では、Intelは400Gのシリコンフォトニクストランシーバーモジュールを開発し、大規模なAIクラウドデータセンターでの使用を目指していました。しかし、トランシーバーモジュール市場は競争が激しく、利益が限られているため、Intelは2023年10月にそのプラガブルシリコンフォトニクストランシーバーモジュール事業をJabilに売却し、「より高価値」のコンポーネント事業とAIインフラに必要な光学I/O技術に注力することにしました。

Intelはシリコンフォトニクストランシーバーモジュール事業を売却しましたが、シリコンフォトニクスチップ通信技術の研究を続けています。OFC 2024展示会でIntelは、AIインフラの帯域幅ニーズを満たすために、CPUと共同封止された「OCI光学I/Oチップ」（Optical Compute Interconnect, OCI, chiplet co-packaged with CPU）を発表しました。これは、4 Tbpsの双方向チップセットであり、レーザー、IC、光コネクタが統合されており、帯域幅ニーズの高いCPU、GPU、IPU、SOCと共同封止することが特徴です（図2参照）。

Intelは、先進的なチップ、光学、パッケージング、およびプラットフォーム統合能力を駆使して、次世代の計算ソリューションを提供し、あらゆる場所での人工知能の実現を目指しています。

TSMC、Intel、GlobalFoundriesがシリコンフォトニクス製造で競争

シリコンフォトニクスの開発路線において、TSMCは多様な製造技術を整え、Nvidia、Apple、MediaTek、AMD、Qualcomm、Broadcom、Sonyなどの顧客にサービスを提供しています。これらは主に電子製造技術を基礎にしており、そこに光技術を統合しています。一方、Intelは自社製品の開発に重点を置き、主に光通信の観点からチップがどのように光を信号として利用するかを支援しています。GlobalFoundriesの戦略もTSMCと類似しており、Broadcom、Cisco、Marvell、Nvidiaなどの大手企業や、Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus、Xanaduなどの光学計算や量子技術の新興企業と協力してシリコンフォトニクスソリューションを共同開発しています。

GlobalFoundriesは「GF Fotonix」と呼ばれるシリコンフォトニクス製造プラットフォームを発表しました。これにより、光子システム、RF（無線周波数）コンポーネント、CMOSロジックチップを一体化し、高性能かつ高帯域幅を実現しています。GlobalFoundriesは、Cisco Systemsと協力してデータセンターネットワーク（DCN）およびデータセンターインターコネクト（DCI）に必要なシリコンフォトニクスソリューションを開発しており、その中にはプロセス設計キット（Process Design Kit, PDK）も含まれます。また、GF Fotonixプラットフォームは量子計算の発展にも適しており、Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus、Xanaduなどの光学計算や量子技術の新興企業にサービスを提供しています。

台湾におけるシリコンフォトニクスエコシステムの構築

シリコンフォトニクス技術の発展は20年以上に及び、1990年代から研究者はシリコンチップ上で光学コンポーネントを実現する方法を探求してきました。これは電子と光学の両方の利点を組み合わせることを目指したものです。2000年代初期には、光導波路、光スイッチ、光変調器などのシリコンフォトニクス素子が登場し、光損失や素子の統合の問題が改良され続けました。2010年代には、感知分野などで少数のシリコンフォトニクス応用が見られるようになりました。しかし、シリコンフォトニクスの発展は学術段階にとどまり、IntelやGlobalFoundriesがこの分野に進出しているものの、TSMCの動きは相対的に静かでした。AIブームが爆発するまでTSMCは3D光学エンジン戦略を通じてこの市場に参入し始めました。TSMCがシリコンフォトニクスを発展させたのは顧客の需要に応じたものでしたが、その取り組みは台湾のシリコンフォトニクス産業の発展に大きな励みとなりました。

TSMCはシリコンフォトニクス産業チェーンにおいてウェーハ製造業者として位置しており、上流には光子チップの設計、ウェーハや基板、関連設備と材料があります。下流にはシステムの統合や様々な応用製品の販売およびサービスがあります。光トランシーバーモジュール産業チェーンを例にとると、台湾のシリコンフォトニクスエコシステムは、レーザー、基板、ウェーハ製造、モジュールの構造と統合などの分野に貢献できますが、設計、EDAソフトウェア、マーケティングチャネルやブランドなどの面にはまだ及んでいません。さらに、シリコンフォトニクス技術には通信以外にも計算や感知など多くの応用があり、新たな産業の扉を開くことが期待されます。