成果報告書詳細
管理番号20110000001709
タイトル*平成20年度中間年報 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/低消費電力ITシステムを実現する高集積光伝送技術の研究開発
公開日2012/2/17
報告書年度2008 - 2008
委託先名日本アイ・ビー・エム株式会社
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部
和文要約本研究では、低消費電力ITシステムを実現するために、高集積光伝送技術の研究開発および、CPUとメモリーアクセスの光伝送の新規アーキテクチャを用いて低消費電力化を可能にする手法の研究開発を行う。これによりCPUの消費電力のうち論理演算と並んで半分を占める入出力部の消費電力について従来の1/3倍に削減する省エネ効果を実現する。
本研究では、光送受信機能の高集積化技術、高バンド幅・高効率電気光変換技術、低消費電力光伝送メモリーサブシステムの3つの技術課題を設定した。これらの課題に対し、平成20年度は、以下のような成果が得られた。
1.光送受信機能の高集積化技術の研究開発
CPU/VLSIと光送受信器間の距離を5cm以下、最終的には3cm以下とすることを目指して、CPU/VLSIと光送受信器間配線長の削減された高集積光送受信基板の設計を完了した。実施内容としては、低損失かつプリント配線板と共存できる基板組込用ポリマー導波路材料を選択し、CPUと同等なVLSIとしてFPGAを搭載した高集積光送受信基板の設計を完了した。また光電変換部に必須の光路90度変換ミラーに関し、ダイシング加工ミラーについて光学性能と耐用性の検討をすすめた。
2.高バンド幅、高効率電気光変換技術の研究開発
光伝送路の多チャンネル化については48ch、最終的には96chを目標においた。これを目指して多ch光導波路の設計・試作を完了した。実施内容としてはポリマー導波路材料を用いた導波路フィルム積層多段化により、多ch光導波路の設計・試作を完了した。さらに低損失ポリマー材料による導波路フィルムを試作し、諸特性を調査し実用可能性を検討した。
また送受信デバイスの低消費電力化については、8mW/Gbps以下、最終的には5mW/Gbps以下を目標においた。1.とあわせてVLSI間の総合的な信号伝送消費電力を12mW/Gbps以下、最終的には8mW/Gbps以下とすることが総合的な目標である。これを目指して、光送受信器、駆動回路の低電力化機構の設計を完了した。実施内容としては合計で9mW/Gbps以下の低消費電力を有する発光素子駆動ICと受信信号増幅ICを用いて、低消費電力光送受信基板の低電力化機構の設計を行った
3.低消費電力光伝送メモリーサブシステムの研究開発
光信号を分岐結合する微細光学部品を試作し、マルチドロップ多ch光伝送方式実現すること、最終的にはマルチドロップ型メモリーアクセスを実現し、メモリーアクセス消費電力を2/3倍に低減することを目標においた。これを目指して、導波路材料により光信号を分岐結合する機能型微細光学部品の設計を完了した。またマルチドロップ多ch光伝送方式の設計を完了した。実施内容としては、ポリマー導波路材料を用いて、光信号を平面内にて分岐結合する機能型導波路フィルムを設計作成した。また交差損失なく立体的に光信号を結合する機能型多段導波路フィルムの設計を完了し試作を開始した。またマルチドロップ多ch光伝送方式の設計を完了した。
以上の3項目にわたる研究開発を実施し、平成20年度の目標を達成することができた。
英文要約Title: Strategic development of energy conservation technology project / Project of fundamental technology development for energy conservation / Development of highly integrated optical transmission technologies realizing low-power consumption IT systems (FY2008-FY2010) FY2008 Annual Report
The objective of this project is to develop the highly integrated optical signal transmission technologies and to develop the new architecture using optical signal transmission between a CPU and memories for realizing the low-power consumption IT systems. We aim to save about the 67 percent of power consumption at an I/O circuit of a CPU. An I/O circuit of a CPU consumes the same power as that of a logic circuit of a CPU.
This project consists of three technical items: 1) highly integrated optical transmission technology; 2) broad-band and high efficient optoelectronic conversion technology; and 3) low-power memory sub-system using optical signal transmission. The research results of these three items in 2008 are shown bellow.
1. Highly integrated optical transmission technology
Our goal in this item is to reduce the electrical signal line distance between a CPU/VLSI and an optical transmitter / receiver into under 3 centimeters. In 2008, we completed the design of our highly integrated optoelectronic PCB with a reduced electrical signal line distance between a CPU/VLSI and an optical transmitter / receiver. We selected a polymer waveguide material which had a low-propagation loss and was laminated easily onto a PCB. We completed the design of our highly integrated optoelectronic PCB with an on-board FPGA. We also studied the reduction of diffusion loss and the reliability of the diced 45 deg mirror for the 90 deg optical turn at the optoelectronic conversion point between waveguides and a VCSEL/photodiode.
2. Broad-band and high efficient optoelectronic conversion technology
Our first goal in this item is to make the 96 channel optical buses and the connector. In 2008, we completed the design and the fabrication of the multi-channel optical waveguides. We stacked a few polymer waveguide films and completed the fabrication of the multi-channel optical waveguides and the connector. Our second goal in this item is to realize the low-power set of a VCSEL driver and an optical receiver with under the 5mW/Gbps power consumption. We aim to realize under the 8mW/Gbps total power consumption between the one VLSI and the other with the help of the item one. In 2008, we completed the design of the low-power architecture of a VCSEL, a photodiode, a VCSEL driver IC and a receiver IC. We evaluated a set of a low-power VCSEL driver IC and a receiver IC the sum of the power consumption of which was under 9mW/Gbps, and we designed the low-power optoelectronic PCB architecture.
3. Low-power memory sub-system using optical signal transmission
Our first goal in this item is to make the fine optical splitter and the combiner in order to realize the multi-drop type multi-channel optical transmission system. And the final goal is to realize the multi-drop type memory access system with 2/3 times power consumption than the present system. In 2008, we completed the design of the fine optical waveguides which has a splitter and a combiner functions. And we also completed the design of the multi-drop type multi-channel optical transmission system. We made the optical splitter and the combiner using polymer waveguides. We also designed and began to make the functional polymer waveguide films without a crossing loss.
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