フランスの研究機関CEA-Letiが、チップレット間の通信に革新をもたらす可能性のある新技術を開発した。この技術は、光ベースの通信を利用した能動的光学インターポーザーを用いて、複数のチップレットを低遅延で接続することを可能にする。
CEA-Letiは2019年に3Dアーキテクチャを用いてチップを能動的インターポーザーに統合することに成功した初の組織となった。今回の開発は、その成果を基に、CEA-Listとともにさらなる進化を遂げたものだ。
Staracデモンストレーター：チップレットベースの光ネットワークオンチップ
CEA-Letiが開発したStaracは、チップレットベースの光ネットワークオンチップ（ONoC）デモンストレーターである。このシステムは、能動的光学インターポーザー上に構築されており、CEA-Letiが以前に達成した電子インターポーザーの成果を活用している。
CEA-Listのシニア研究者であるYvain Thonnart氏は、Staracの特徴について次のように説明する。
「私たちは、多数の中間チップレットを経由せずに、チップレット間で情報をルーティングする能力を維持しました。そして、フォトニクスを使用することで、以前の研究や現在の業界標準と比較して、遅延を大幅に削減することを計画しています」。
Staracの設計は、一見すると単純なリング型トポロジーに見えるが、実際には各導波路が複雑なスパイラル状にループしている。これにより、すべてのチップレットが中間チップレットを経由せずに直接通信できる構造を実現している。
Thonnart氏は、この構造の利点を次のように説明する。
「大規模な計算システムでは、コアを持つ複数の計算用チップレットと、複数のHBM（高帯域幅メモリ）があります。近くにあるコアからHBMへのアクセスは簡単ですが、遠くにあるHBMにアクセスする場合、従来のアーキテクチャでは多くのホップを経由する必要がありました。私たちのソリューションでは、光ネットワークオンチップ内を導かれる光の本質的な遅延が非常に小さいため、遅延が大幅に改善されます」。
この技術は、Intel、AMD、NVIDIAなどの最新プロセッサで採用されているマルチ・チップレット設計において、特に威力を発揮する可能性がある。複数のプロセッサコアとメモリチップを効率的に接続することで、システム全体のパフォーマンスを飛躍的に向上させることができるのだ。
技術の詳細と産業化に向けた展望
Staracの開発には、CEA-Letiの光エレクトロニクス部門とシリコン部品部門の専門家が協力し、フォトニクスノードとチップレットの3D統合に固有の互換性の問題を解決した。例えば、シリコン貫通ビアと導波路を信号を変えることなく使用できるよう、キープアウトゾーンを特定する必要があった。
CEA-LetiのR&DプロジェクトリーダーであるJean Charbonnier氏は、産業化に向けた課題について次のように述べている。
「インターポーザーのすべてのコンポーネントを統合するための効率的な製造プロセスの開発が課題の一つです。Staracデモンストレーター用に多くの新しいプロセスステップを開発しましたが、3D相互接続処理の面での工学的努力は膨大なものでした」。
Charbonnier氏は、デモンストレータープロジェクトの完了後の展望について次のように語る。
「改善できる点や完全にやり直せる点がたくさんあります。例えば、レーザーをファイバーでリングさせるのを避けるために、デバイスに直接レーザーを配置することも考えられます。パッケージングの面でも、まだまだ改善の余地があります」。
CEA-Letiは、この技術の実用化に向けて、システム設計者と半導体ファウンドリの両方との産業パートナーシップの確立を目指している。Charbonnier氏は次のように述べている。
「今後1年程度で産業パートナーシップを確立し、プロセスやパッケージングの問題を解決し、この技術が解決できる実世界の問題により近づけることを望んでいます」。
Xenospectrum’s Take
CEA-Letiが開発した能動的光学インターポーザー技術は、チップレットベースのシステムインパッケージ（SiP）設計に革命をもたらす可能性を秘めている。この技術が実用化されれば、現在のマルチチップレットシステムが直面している遅延、帯域幅、消費電力の課題を同時に解決できる可能性がある。
特に注目すべきは、この技術がチップレット間の直接通信を可能にする点だ。これにより、大規模なSiPシステムにおいて、遠距離に配置されたチップレット間でも低遅延の通信が実現できる。これは、AIや高性能コンピューティング分野において、処理能力と効率性の大幅な向上につながる可能性がある。
しかし、この技術の実用化には、製造プロセスの確立やコスト面での課題が残されている。特に、フォトニクス技術と従来の半導体製造プロセスの統合は、技術的に非常に困難な課題だ。
また、業界標準化の動きとの整合性も重要な課題となる。現在のチップレット間通信の標準化は、主にポイントツーポイント接続に焦点を当てているため、CEA-Letiの提案する複雑なネットワーク型接続をどのように標準化プロセスに組み込んでいくかが今後の焦点となるだろう。
総じて、CEA-Letiの光学インターポーザー技術は、半導体業界に新たな可能性を提示する革新的な取り組みだと言える。この技術が実用化されれば、ムーアの法則の限界を超えた新たな性能向上の道筋を示すことになるだろう。今後の研究開発の進展と産業界との協力関係の構築が、この技術の未来を左右する鍵となるだろう。
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