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2024年6月14日

【SiPhシリーズ】ポストムーア時代の半導体および光電産業が競うシリコンフォトニクス技術

Thanks to PIDA 財團法人光電科技工業協進會

發布日期： 2024-05-17

現代の半導体製造技術は物理的な限界に近づいていると考えられており、ポストムーア時代の技術開発には「More Moore」、「More Than Moore」、「Beyond Moore」などの戦略的方向性があるとされています（図1参照）。この中で、「Beyond Moore」は将来的な長期戦略の重点となり、異なる次元の物理量、例えば電子のスピンや光子、光波の特性、さらには量子情報技術などの発展を目指します。そして、「シリコンフォトニクス」（Silicon Photonics, Si-Ph）は、半導体と光電産業が活発に進めている「光」と「電気」の統合プラットフォームであり、TSMC、Intel、GlobalFoundrisなどの主要なウェーハメーカーの戦略的重点でもあります。

「More Moore」とは、名前が示す通り、ムーアの法則に沿って物理的な限界を追求するもので、CPU、GPU、メモリ、ロジックチップなどはこの路線に従って発展します。「More Than Moore」の重点は、半導体製造技術の極小化に依存せずに、半導体デバイスに他の機能を持たせることにあります。例えば、RF（無線周波数）デバイス、パワーデバイス、MEMS（微小電気機械システム）、センサーなどが含まれます。近年人気の3Dアドバンストパッケージングも「More Than Moore」の一例とされています。「Beyond Moore」は、ムーアの法則が予測する従来のCMOSトランジスタのサイズ制限を超えた技術と手法を指し、異なる物理学の導入と統合を目指します。これには、光学、電磁学、フォトニクス、量子技術、材料科学などが含まれます。特に、CMOS技術を用いて光電子デバイスを統合するシリコンフォトニクスは、現代の最も重要な製造技術プラットフォームです。

したがって、シリコンフォトニクスは「Beyond Moore」に分類されます。なぜなら、それはトランジスタの極小化を追求する代替手段を示し、計算と通信分野の未来の進歩を推進する可能性を持っており、エレクトロニクスの領域を超え、ムーアの法則の限界をも超えるからです。いずれの「More Moore」、「More Than Moore」、「Beyond Moore」の方向性も、半導体および光電産業の発展戦略の次元を示しています。

シリコンフォトニクスはBeyond Mooreの重要な戦略方向です

シリコンフォトニクスとは、半導体のCMOS製造技術を利用して、多くの光学および光電素子をウェーハ上に製作・統合する技術です。主な素子には、透鏡（lens）、反射鏡（mirror）、分路器（splitter）、濾光片（filter）、耦合器（coupler）、光導波（waveguide）、變調器（modulator）、光交換器（switch）、互連器（interconnet）、共振環（optical ring resonator）、干涉儀（interferometer）などが含まれます（図2参照）。これらの素子はそれぞれ、光の焦点、進行方向や経路の制御、光の分割や結合、干渉などを行い、データ通信、計算、感知などの目的を達成します。

しかし、「光」は多次元の基本粒子であり、その次元には波長、周波数、振幅、偏光、方向、波面、位相、コヒーレンス、分散、軌道角運動量、スピン、量子状態などが含まれます。シリコンフォトニクス技術は必ずしも光波のすべての挙動を完全に制御できるわけではないため、応用製品によっては他の素子や技術と組み合わせる必要があります。

シリコン材料のバンドギャップでは光源の発光が難しいため、シリコンフォトニクスで最も必要とされる他の素子は、近赤外光波長帯（1310～1550 nm）のレーザー光源です。このようなレーザー光源は、磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、砷化銦鎵（InGaAs）などの材料で実現されます。シリコンフォトニクスはカプラーを用いて、レーザー光を光導波路に導入する必要があります。レーザーのカップリング効率は、このシリコンフォトニクス素子全体の品質に大きく影響します。

シリコンフォトニクス製造技術が完備されると、多くの応用製品市場が促進されます。基本的に、シリコンフォトニクスの機能は通訊（communication）、計算（computing）、感測（sensing）の三つに分けられ、それぞれ自動運転、オートメーション、バイオメディカル（生物醫療）、ディスプレイ、国防宇宙、環境モニタリングなどの応用分野で利用できます。特に現段階では、AIブームの中で、シリコンフォトニクスはデータセンターの高速伝送や高性能計算（HPC）に利用され、遅延の削減やエネルギー消費の低減が求められています。

シリコンフォトニクスの感測機能は、生物医学イメージングにも応用できます。例えば、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）や蛍光顕微鏡などがあり、生体組織の画像解像度を向上させます。同様に、この感測機能は環境モニタリングや工業センサにも応用され、化学物質の検出やバイオファーマの検出などに利用されます。また、LiDARはシリコンフォトニクス技術を採用し、レーザー、光路、チップを統合することで、より軽量かつコンパクトなシステムを形成し、車両やドローン、自動搬送車と組み合わせることができます。

シリコンフォトニクスは、将来の量子計算の基盤を築くことにも貢献し、量子コンピュータが光の量子状態を生成、操作、検出するのを助けます。これは量子計算と情報セキュリティにとって非常に重要です。図3はシリコンフォトニクスの各種応用を示しています。

シリコンフォトニクスは、Beyond Moore戦略のブレークスルー技術ですが、他の技術と組み合わせることで相乗効果を発揮します。他の技術には、新材料の開発（例：グラフェンなどの2D材料）、新しいアーキテクチャ（例：3Dパッケージング、共封止光学（CPO）などの革新）、およびフォトニクス、神経形態計算などの分野の進歩が含まれます。目標は、計算と技術の進歩を推進し、ムーアの法則の限界を超えることです。

More Moore、More Than Moore、Beyond Mooreの三次元戦略空間

4月に台積電（TSMC）は2024年の北米技術フォーラムにおいて、A16、NanoFlex、N4C、CoW、シリコンフォトニクス統合（矽光整合）、自動車用先進パッケージなど、六つの技術開発プロジェクトを発表しました。まず、TSMCはムーアの法則に従い、製造技術を1.6ナノメートルに進め、「TSMC A16™ Technology」と呼ばれるMore Moore路線に属する技術を発表しました。シリコンフォトニクス統合のCOUPE™はBeyond Mooreに分類されます。その他の技術はMore Than Mooreに分類されます。

TSMCはMore Mooreの路線で先進的な製造技術において世界をリードしていますが、他のウェーハメーカーはMore Than MooreやBeyond Mooreの分野で戦略を展開しています。例えば、Intelはシリコンフォトニクス技術に十年以上取り組み、400Gの光トランシーバーモジュール（光收發模組）を成功裏に開発しました。しかし、Intelは2023年11月にシリコンフォトニクスのプラグイン可能なトランシーバーモジュール事業をJabil Photonics社に売却し、経費を削減しました。そして、AIに必要なモジュールに重点を移すと発表しました。さらに、Intelはガラス基板技術（玻璃基板技術、semiconductor glass substrate）に注力し、将来的にガラス基板を使用した先進的なmulti-chiplet system-in-packages（SiP）を計画しています。Intelは2030年までにガラス基板上に1兆個のトランジスタを実装することを目指しています。SamsungもIntelの路線に続き、2026年から高性能システムインパッケージ用のガラス基板の生産を開始する予定です。

これに対して、Samsungを含む韓国の主要企業はシリコンフォトニクスの分野では静かであり、韓国にはシリコンフォトニクス計画を公に発表した大企業はありません。SK Hynixはシリコンフォトニクスの計画を行っていないと発表しました。韓国の大企業がシリコンフォトニクス技術に投資しない理由は、主にメモリーチップに重点を置いているため、シリコンフォトニクス技術への投資に消極的であることが考えられます。

GlobalFoundriesはシリコンフォトニクス分野で最も積極的に取り組んでいるウェーハメーカーです。以前のシリーズ記事で述べたように、GlobalFoundriesは「GF Fotonix」というシリコンフォトニクス製造プラットフォームを発表し、多くの顧客から支持を得ています。イスラエルのTower Semiconductorは、More Than MooreおよびBeyond Mooreの路線で、RF（無線周波数）、SOI、シリコンフォトニクスの生産能力の拡大に注力しています。特筆すべきは、Tower Semiconductorの発表によると、第一四半期の収益3億2700万ドルのうち、シリコンフォトニクスが5%を占めており、この収益の貢献は今後も増加すると予測されています。

シリコンフォトニクス応用製品の設計とエコシステム(生態系)の構築

以上で各ウェーハメーカーがシリコンフォトニクスにおいて展開している取り組みを簡単に紹介し、顧客のシリコンフォトニクス生産に対する需要に対応する様子を説明しました。シリコンフォトニクス製品の設計は主に応用メーカーに委ねられており、特に現在、各光通信会社が次々とシリコンフォトニクス光通信製品を発表しています。今年（2024年）3月のOFC展示会では、少なくともimec、Marvell、Infinera、Lumentum、Ribbonなどの多くの企業がシリコンフォトニクス通信製品を発表しました。これらには、imecの32チャンネルWDM、Marvellのインターコネクト用フォトニクスエンジン、Infineraの800Gコヒーレントモジュール、Lumentumのシリコンフォトニクス用1310 nm DFBレーザーなどが含まれます。このようなシリコンフォトニクス光通信製品はますます増え、AIデータセンターの急速な拡張に対応するための需要を支えるでしょう。

シリコンフォトニクスは確かに半導体産業においてBeyond Mooreの新たな分野を開拓しましたが、台湾の半導体産業はMore MooreやMore Than Mooreほどの競争力を持っていません。とはいえ、More Mooreの分野には限界があり、台湾がこの分野で永遠に先行し続けることは困難です。そのため、More MooreやMore Than Mooreの分野で競争力を維持する必要があります。特に、シリコンフォトニクスの技術優位性を確保することが重要です。

しかし、シリコンフォトニクス分野で一社が独占的な地位を築くことが健全な産業エコシステムを意味するわけではありません。したがって、応用製品の設計、ソフトウェア、異質統合、レーザー(雷射)、化合物半導体、光学計算などの関連産業において、どのようにして護国神山（TSMC）のような存在に匹敵するかが重要な課題です。

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