成果報告書詳細
管理番号20110000000222
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 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2011/4/20
報告書年度2008 - 2010
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
部署名エネルギー対策推進部
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、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と光送受信器間の電気配線長合計を3cm以下とすること、および2.とあわせて、電気配線部損失や光配線部損失を含むVLSI間の総合的な光リンクにおける信号伝送消費電力を8mW/Gbps以下とすることが総合的な最終目標である。これを目指して、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試作と改良を行い、評価を完了した。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として高速電気信号伝送可能なASICを搭載した高集積光送受信基板の設計・試作を完了した。VLSI-光送信器および光受信器-VLSI間の電気配線長の合計2.9cm(3cm以下)を達成し、光送受信器ともに高速信号の良好なアイパターンを得た。また高品位信号伝送可能なVLSI間光リンクの消費電力7.4mW/Gbps(8mW/Gbps以下)を達成した。
2.高バンド幅、高効率電気光変換技術の研究開発
送受信デバイスの低消費電力化については、5mW/Gbps以下が最終目標である。これを目指して、光送受信器、駆動回路の低電力化機構の試作・評価を完了した。実施内容としては高効率発光素子(VCSEL)を設計・試作・改良し、低消費電力を有する発光素子駆動ICと受信信号増幅ICを組み合わせ、低消費電力光リンクの試作と改良を行った。この結果、4.3mW/Gbps(5mW/Gbps以下(10Gbps))の光送受信デバイスを実現した。また光伝送路の多チャンネル化については96chが最終目標である。これを目指して多ch光導波路の試作・評価を完了した。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の積層多段化と、配線密度を標準の250μm間隔から125μmへ倍増することにより、4段x27ch=108chの光導波路および同コネクタを実現した。
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、マルチドロップ型光伝送メモリーアクセス方式を実現し、メモリーアクセス消費電力を2/3倍に低減することが最終目標である。これを目指して、光信号を分岐結合する微細光学機能部品の試作・評価と、マルチドロップ多ch光伝送メモリーサブシステムの試作・改良を行った。実施内容としては、光信号を平面内あるいは立体的に分岐結合するフィルム導波路機能部品を実現した。またマルチドロップ多ch光伝送メモリーサブシステムの構築および広帯域化とリンクレベル動作検証を行い、従来の消費電力20.8Wに比べ7.6W削減し13.0W、すなわち62.5%化(2/3以下)を達成した。
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) Final 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 are shown bellow.
1. Highly integrated optical transmission technology
Our first goal is to reduce the electrical signal line length between a set of CPU/VLSI through an optical transmitter / receiver into under 3 centimeters. And our second goal is to reduce the consumption energy of a total optical link into under 8mW/ch/Gbps. We fabricated the highly integrated optoelectronic PCB with a reduced electrical signal line length. We fabricated a low-loss polymer waveguide on a PCB, and fabricated a highly integrated optoelectronic PCB with an on-board ASIC. We achieved 2.9 centimeters electrical signal line length between a set of CPU/VLSI through an optical transmitter / receiver, and got good eye-patterns for Tx/Rx signals. We achieved 7.4mW/ch/Gbps.
2. Broad-band and high efficient optoelectronic conversion technology
Our first goal is to make the 96 channel optical buses and the connector. We stacked four 27ch polymer waveguide films and fabricated the 108 channel optical waveguides and the connector. Our second goal is to realize the low-power set of an optical transmitter and a receiver with under 5mW/ch/Gbps power consumption. We fabricated the low-power architecture of a new VCSEL, a photodiode, a VCSEL driver IC and a receiver IC. We achieved 4.3mW/ch/Gbps power consumption for the sum of an optical transmitter and a receiver.
3. Low-power memory sub-system using optical signal transmission
Our first goal is to make an optical splitter and a combiner in order to realize the multi-drop optical transmission system. And the final goal is to realize the multi-drop optical memory access sub-system with 2/3 times power consumption than the present. We fabricated the three dimensional optical waveguide functional components which have a splitter and a combiner without a crossing loss. And we made the multi-drop high-speed optical memory access sub-system. We achieved 62.5 percent lower power consumption system than the present by decreasing from 20.8W to 13W.
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