　　　　IWON　光電融合デバイス技術通信やコンピューティングの大容量伝送・低消費電力を実現　　　NTT 研究開発　　　　2024_9_30

　　IOWN構想とは？
流通するデータ量の増大により、大量のコンピュータが導入され、膨大な電力を消費しています。
今後も著しく増加を続けることが見込まれており、次世代情報通信基盤の構想、それがIOWNです。

　　IOWNとは
IOWN（アイオン）は、光の技術を軸とした次世代情報通信基盤をもとに、
よりスマートに一人ひとりが自分らしく生きられる Well-being な世界の実現をめざす構想であり、取り組みです。
人類のさらなる発展と、環境に配慮した持続可能な社会の両立をめざしています。
IOWNは、Innovative Optical and Wireless Network の頭文字を取って作られた言葉です。
その次世代情報通信基盤は、大容量、低遅延に加えて、低消費電力であることを特徴としています。
ネットワークのエンド-エンドの光化に加え、コンピュータの内部まで光を届けることでその仕組を刷新し、エネルギー効率の高い基盤の実現をめざしています。

　　なぜ IOWN
世界では度重なる自然災害、深まる分断、止められない戦争・紛争、そして温室効果ガスの増加が要因とされている気候変動問題など、
人類の安寧を脅かすリスクは数多く存在しています。
我々の生活に目を向けると、ICT の飛躍的な発展により、効率化や情報のパーソナライズ化が進み、個人個人の便利さと快適さが追求されてきました。
しかし、その多大なる恩恵と引き換えに、情報や時間に追われ、もしくは社会の分断を深め、かえって心のゆとりを失っていると指摘されることもあります。
世界的問題にしても、生活レベルの問題にしても、その問題を解決してWell-beingな世界を実現するには、世界と社会をより深く知ることが必要でしょう。
そのためには、もっと精緻に多種多様に情報を観測、収集、分析し、未来を予測するような技術や仕組みが必要です。
こうした考え方から、次世代情報通信基盤をもとにWell-beingな世界の実現をめざすという IOWNの構想が生まれました。

　　持続可能性の危機
ICT分野の飛躍的な発展は、大量のデータを生み出しました。データ量は増加の一途で、今後も指数的な増加が見込まれています。
大量のデータを扱うには、それだけ多数のコンピュータが必要です。
その結果、膨大な電力が消費されており、その量は今後急速に膨らんでいくと見込まれています。
データおよび消費電力は大幅に増加する見通しです。 2030年の値は大きな技術進展がない場合を仮定したものであるため，
実際にはここまで膨大な電力を消費しないまでも、世界で生産されるエネルギーの大部分をICT関連の装置が消費するであろうという見込みは変わらないのです。
多くの方は、ICTのさらなる発展を期待し、それに疑いを持つこともないかもしれませんが、実際には持続可能性の危機にも直面しているのです。
人類のさらなる発展には、持続可能な社会を実現する仕組みが必要であり、IOWNはそこに挑戦しています。

　　機能と特性
ネットワーク＆コンピュータの光化と方式刷新
IOWNでは、Well-beingを感じられる世界を持続可能な方法で実現するという難題に挑戦しています。
その手段として軸となるのが光技術の導入です。
電気に対してエネルギー効率が高く、性能向上と持続可能の両立に重要な要素になると見込まれています。
電気は、データの伝送容量（周波数）の上昇に伴って、短区間の伝送でも多大なエネルギーを消費します。
昨今は大容量化が進み、例えば隣接するコンピュータ間、コンピュータ内部のデータ転送でさえも、電気を光に見直すことに価値が生じるようになってきました。

さて、単に電気を光に置き換えるだけでは、IOWNの高い目標を実現できません。
ネットワークとコンピュータの方式も含めて見直しが進められています。
既存の方式には、エネルギー効率の観点で改善できるポイントがたくさん存在しています。
例えば現在主流のネットワーク方式であるパケット通信（TCP/IPプロトコル）では、必ずデータをパケットに分割し、宛先を各パケットに付け加えて送ります。
ネットワークの各ポイント (ルータ)では、毎回パケットの宛先を確認します。
これは伝送に光ファイバーを使っている場合であっても、一旦電気に戻す必要があります。
これを見直して通信の端から端までを一度も電気に戻すこと無く光の通信のみで完結させるのが、IOWNの All-Photonics Network (APN) です。
データ分割や電気変換の必要性を無くしたことで、超低遅延なネットワークを実現することができます。

コンピュータの方式についても、エネルギー効率の観点で改善できるポイントが存在します。
IOWN 時代のコンピューティングインフラである Data Centric Infrastructure (DCI) では 2つのアプローチで電力消費を下げることができます。
1つはディスアグリゲーテッドコンピューティングです。
サーバは 1つの箱でできています。その中には部品がたくさん入っていますが、このコンピュータの中の構成部品を細分化して共用する仕組みになります。
これによって CPUやメモリといった部品を必要なだけ組み合わせて利用することができるようになります。
また、使わない部品の電源はオフにして消費電力を下げることもできます。
一度、分解して、その部品ごとに整理をし直すような考え方となります。
もう 1つは光電融合です。
つまり、電気信号を扱う電子回路を光の導波路に置き換えていくことで、電気配線で消費していた電力を削減することができます。

　　異なる指標の全体最適化
IOWNでは、従来よりも遥かに多種多様で膨大な情報を APNで伝送し、DCIで効率的に処理することによって、
世界・社会の今をより詳細に知り、未来を予測します。
これにより Well-beingを感じられる世界の実現をめざしますが、ここで、この世界は単一の評価関数で、その良し悪しを表現できるのかという問いにぶつかります。

我々はこの世（人間の社会）は、相反する価値が互いにせめぎ合う形で存在していると考えています。
この矛盾を許容する、多様性を受け止めることが重要であり、Well-beingを感じられる世界を築くための重要なポイントになると考えています。
異なる複数の指標がそれぞれには最適ではなくとも、それぞれが許容しあえる解を導くことよって、その実現をめざします。

その実現に必要となるのが、Digital Twin Computing (DTC)です。
世の中のあらゆるモノや現象を Digital Twinとして取り込み、様々なシミュレーションを通して未来を予測し、調和のとれた解を求めます。
Digital Twinは物理的な情報だけではなく、人の思考や心理といった多角的な情報を捉えることをめざして研究開発が進められています。

さて、情報を大規模に観測、収集、利用するというのは、決して簡単なことではありません。
これを持続可能な形で行うには、ICTリソースの柔軟な制御も極めて重要です。
この役割を担うのが Cognitive Foundation (CF)です。
CFは ICTリソースを全体最適に調和させて、必要な情報を流通させる機能群です。
場所、アプリケーション、環境などに応じて、方式や事業者を意識せず情報を扱えるようにするための技術です。

　　光電融合デバイスと IOWNロードマップ
光電融合デバイスについては、そのイノベーションにより幾段かの跳躍を期待しています。
IOWN 1.0では APN（All-Photonics Network）サービスを開始し、遅延の目標値 1/200 を達成しました。
IOWN 2.0はボード接続型の光電融合デバイスにより、IOWNはコンピュータの領域へ進展していきます。
従来よりも柔軟にパーツを組み上げることが可能であり、かつエネルギー効率の高いコンピュータを実現します。
IOWN 3.0で容量の目標値 125倍を、IOWN 4.0は電力効率の目標値 100倍の実現をめざします。

　　活用事例
大阪・関西万博での活用事例
NTTグループが大阪・関西万博の夢洲会場の光ファイバーネットワークとして提供した「IOWN APN」装置は、
高速大容量、低遅延、低消費電力の通信環境の実現に大きく寄与しました。

　　情報通信インフラ・データセンタ分野
データセンタの分散化
データセンタはネットワーク遅延の懸念から都市部に集中しており、高額な地価のため増設が難しい状況です。
郊外・地方に大型のデータセンタ建設の動きもありますが、今度は局地的に膨大な電力や水が利用され、環境面での課題に直面しています。
小型・中型のデータセンタ間をAPNで接続することで、分散しても、同一拠点内のデータセンタであるような環境を作ることで、これらの問題を解決します。
イギリス・アメリカ各国にて遠距離データセンタ間を接続する実証実験に成功
～約100km 離れたデータセンタ間をIOWN APNで接続し、1ミリ秒以下の低遅延通信の実現と分散型リアルタイムAI分析等への適用可能性を確認～

　　AI時代の情報通信基盤の構築
データ中心社会においてAIを活用することは極めて重要です。
持続可能なものとするには、エネルギー効率の高い情報通信基盤の構築が必要です。
AI時代に向けたIOWNの新たなコンピューティング基盤(DCI)の構築に向けた取り組みを進めています。

　　モバイル通信網へのIOWN導入
次世代の通信規格 6Gに向けて IOWNの技術導入を進めています。
モバイル通信網においても基地局側のアンテナより先は光ファイバにより通信が支えられています。
大容量、低遅延、低商品電力なAPNの導入により次世代のモバイル通信網を支えます。

　　モビリティ分野　未来の車：人と車のあり方を変える
自動運転時代を見すえた車の形。
IOWNが可能とする革新的な情報収集量と分析能力に加え、低遅延性や安定的なネットワークにより、
より安心・安全で、かつスマートな車を実現。人と車の関係を変えていきます。

　　国際標準化団体との連携
国際的な情報通信サービスが成り立つためには構成機器が国際的に相互に接続され、設計されたとおりに動作する必要があり、
端末とネットワークやネットワーク事業者間のインタフェースの取り決めが不可欠です。
この取り決めを国を越えて定めるのが国際標準化団体です。
その中でも、IOWN技術を発展途上国、先進国問わず世界中に普及させるためには、
各国の規制に影響力を持つデジュール標準化機関、特に電気通信分野のデジュール標準化機関であるITU-T と連携することが重要になると考えられます。
2023年12月に ITU-T局長が主催した CxO Roundtableにおいて、NTTからIOWNの国際接続性の担保や、
途上国も含めた世界展開に向けたデジュール標準策定の重要性を提案し、
会議に出席した世界各国の CxOならびに ITU-T幹部の賛意を得るとともに、IOWN Global Forumと ITUの連携を強化することが合意されました。
今後IOWNの普及に向けて、国際標準化団体、特にITU-Tとの連携強化が重要になると考えられます。

　　光電融合デバイスとは、光と電気の機能を統合した技術です。
「デジタルコヒーレント信号処理回路」は光信号の偏波、振幅、位相まで含めて信号処理を行うことで飛躍的な伝送容量の大容量化を可能とします。
「光チップレット」は光電変換モジュールを LSIの直近で同一基板上に実装することで、
LSI間のデータ伝送を効率化しチップからチップへより多くのデータをより遠くまで届けられるようになります。
「メンブレン化合物半導体技術」は半導体レーザなどを薄膜状に作製する技術で、低消費電力かつ高速な動作を実現でき、
シリコンフォトニクス回路上にも作製することができます。

　　技術背景・課題
IOWN構想を支える基盤技術の一つとして光電融合デバイス技術に取り組んでいます。
NTTでは 1960年代から光技術の研究開発を進め、長距離ネットワークへの導入から進め技術を蓄積してきました。
昨今の AIや機械学習の発展に伴い多くのデータを伝送するニーズが高まっており、コンピューティング用途への導入に向けて技術開発を進めています。
ここでは、コヒーレント光伝送向けデジタル信号処理回路（コヒーレントDSP: Digital Signal Processor）、光チップレットと
そのキーデバイスであるメンブレン化合物半導体技術について紹介します。

　　技術の概要・特徴・内容
デジタルコヒーレント信号処理回路（コヒーレントDSP）では、光の偏波、振幅、位相をすべてデジタルデータとして取り込み、
高度な信号処理によって光ファイバ伝送路や光電子デバイスによる光信号歪みを補償します。
これにより、飛躍的な伝送容量の大容量化を可能とします。
光チップレットは高速な電気信号を光信号に変換する光送信器および受信器で、より多くのデータをコンパクトに送ることを目標としています。
高密度・小型化により、演算用LSIの直近からダイレクトに光信号に変え、より多数の演算用LSIを接続することができます。
メンブレン化合物半導体技術は、化合物半導体光デバイスを従来の10分の1以下の薄膜（メンブレン）状に作製する技術であり、
低消費電力かつ高速な動作を実現することができます。
また、薄膜状である特徴から、シリコンフォトニクス回路上への集積が容易であり、光電融合デバイスに適しています。

　　技術目標・成果・効果
ML/AI、クラウド、5Gによって情報通信トラヒックは指数関数的な増大を続けており、これを継続的に支える光ネットワークの大容量化に向けて、
デジタル信号処理を活用して超高速コヒーレント光伝送を実現するコヒーレントDSPの開発を進めています。
これまでに長距離伝送向け高性能版としては波長あたり伝送容量 100Gbit/sから 1.2Tbit/sまでを実用化し、次期向けとして 1.6Tbit/sを開発しています。
また、データセンタネットワークでは、高密度実装を実現するために、小型モジュール搭載向けに超低消費電力なDSPが要求されます。
これまで、低電力版としては、最大容量 400Gbit/sを 10W 未満の消費電力で実現するDSPを実用化し、次期向けとして 800Gbit/sを開発中です。

伝送容量の大容量化には、シンボルレートの高速化と変調多値度の高度化が必要です。
加えて、伝送容量・伝送距離・周波数占有帯域をアプリケーションに応じて柔軟に構成できる適応変復調技術が必要です。
NTT研究所では、偏波・振幅・位相を柔軟に制御する多値変調技術、細かい情報量の設定を可能にする符号化技術、
およびそれらを低電力に実現するデジタル信号処理技術を研究し、これら新技術を搭載したコヒーレントDSPを開発しています。
さらに、コヒーレントDSPを、光と電気の変換機能を集積したシリコンフォトニクス光回路、
電気の増幅器等のアナログ電子回路と１つのパッケージに実装するコパッケージ実装により、圧倒的な小型化を実現します。

光チップレットの研究ビジョンは、光電変換モジュールを LSIの直近で同一基板上に実装（コパッケージ実装）することです。
現在の全てのLSIは単体でパッケージ内に実装され電気接続のみが基板下部から出ている形態です。
この場合、基板下部からの接続端子数の制限や電気配線の抵抗による損失で、トータルとしてのデータ伝送の容量と距離の増加は限定的となってきています。
そこで、電気接続の一部を光接続にすることで、より多くのデータをより遠くまで送ることができるようになります。

それを実現するのが、電気チップと光半導体チップの接続・実装技術と、光半導体チップです。
指先に載るほど小さいチップは、NTT独自のメンブレン化合物半導体技術による素子を複数備えており、
この素子で光信号の生成などを小型かつ低消費電力で行うことができます。
これを電気チップと積層してファイバを接続することで光送信器としてモジュール化しました。
光電融合デバイスへの適用のために、メンブレン化合物半導体技術においては、
低消費電力で高速に動作できる光デバイス（半導体レーザや光変調器、受光器など）を高密度に集積することが必要となります。
今後の技術課題として、メンブレン化合物半導体技術はウェハプロセス技術の完成度を高め、
また光チップレットはLSIの直近に配置してコパッケージを行うことが挙げられます。

　　想定される適用分野・PoC
これらのデバイスや技術はIOWNサービスへの適用と歩調を合わせて技術開発を進めています。
IOWN1.0のサービスを支えるIOWN-APNの一部として、DSPは適用が進められています。
また、光チップレットおよびその中のキーデバイスであるメンブレン化合物半導体技術は、IOWN3.0の時代に使用することを目標としています。
具体的な適用例として、DSPと光送受信回路のコパッケージ実装により、1波長あたり800Gb/s、
さらには1Tbit/s超級のデジタルコヒーレント光伝送をより小型低電力に実現できます。
これにより、QSFP-DDやOSFP といった小型光トランシーバモジュールへの実装が可能となり、
大容量の光伝送システムを低電力・高密度に実現することが可能となります。
データセンタネットワークやコアメトロといった基幹系の伝送システムを支える光電融合デバイスとして展開されることをめざしています。
光チップレットは演算用LSIを接続する足回りとしてサーバやコンピューティングシステムに使うことで、
従来のラックスケール単位のリソース管理から、より細かい単位で最適に管理でき、サーバボックスを超えた範囲のより多くのリソースを接続できます。

　　今後の展望
IOWN 1.0サービスは2023年度に開始しており、IOWN 2.0、IOWN 3.0が順次展開される予定です。
それに合わせて、光電融合デバイスも、導入済みのものはシステム拡大とともにより広く普及させ、現在技術開発中のものは導入をめざしていきます。

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