光で計算！蘭州大学が「再構成可能光学ALUチップ」開発に成功

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この記事のポイント

• 蘭州大学の研究チームが、複数の論理・算術演算を同一ハードウェアで動的に切り替え可能な「再構成可能光学ALUチップ」を開発しました。
• AIなどのデータ集約型アプリケーションで求められる高速・低遅延計算の課題解決に繋がる技術として注目されています。
• シリコンフォトニクス技術を基盤とし、小型・高速・低消費電力なマイクロリング変調器を活用して実現されました。
• 20Gbit/sの速度で基本論理演算や算術演算を実現し、高い計算密度とエネルギー効率を達成しました。
• 高速データ暗号化・復号、医療画像処理など、実用的な応用への可能性も示されました。

光技術が電子回路の限界を突破

近年、人工知能（AI）やデータ集約型アプリケーションの急速な普及に伴い、高速かつ低遅延な計算能力への需要が爆発的に高まっています。しかし、従来の電子集積回路は、ムーアの法則の鈍化、配線帯域幅の制限、そして消費電力の継続的な増加といった課題に直面しています。

こうした中、集積光子技術は、その大帯域幅、高速並列処理、低伝送遅延といった利点から、電子計算のボトルネックを打破するための重要な技術的アプローチとして注目されています。

「再構成可能光学ALUチップ」とは？

この背景を踏まえ、蘭州大学物理科学技術学院の田永輝教授チームは、成熟したシリコンフォトニクス集積プラットフォームを活用し、マイクロリング変調器の利点（小型、高速変調、低消費電力、電気制御による再構成の容易さ）を活かして、様々な論理・算術機能を動的に切り替えられる光学デジタル計算チップを開発しました。この成果は、国際的な権威ある学術誌「Nature Communications」に掲載されています。

革新的なチップの仕組み

研究チームは、マイクロリングをカスケード接続することで基本的な論理ゲートを構築し、NOT、AND、OR、XOR、XNORといった複数の論理演算を実現しました。さらに、波長次元での並列処理により、同一のハードウェアアーキテクチャで2ビット加算器、減算器、数値比較器といった算術演算機能への動的な切り替えを可能にしました。これにより、チップ構造を再設計することなく、柔軟な演算処理が可能となります。

高い性能と応用可能性

このチップは、220nmのシリコン絶縁体プラットフォームで製造されており、各マイクロリングには高速なキャリア枯渇型電気光学変調構造と熱調製ユニットが統合されています。これにより、高速なデータロードと動作波長のキャリブレーションがそれぞれ実現されています。実験結果によると、このシステムは20Gbit/sのデータレートで基本的な論理演算および算術演算機能を達成し、計算密度は528 Gbit/s²、エネルギー効率は12.36 fJ/bitという高い性能を示しました。

さらに、高速データ暗号化・復号、医療画像へのウォーターマーク埋め込み、画像差異強調といった応用検証も行われ、このアーキテクチャが基本的な論理デバイスから多機能な光学デジタル計算システムへと拡張できる能力が実証されました。

今後の展望

田教授は、「この研究は、高密度、低消費電力、再構成可能なフォトニック算術論理処理チップの構築に向けた新たな実現経路を提供するものです。また、高速情報処理やオンチップインテリジェントコンピューティングにおける光学デジタル計算の応用基盤を築くものでもあります。」と述べています。

出典：科技日報

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