50年の努力の末、研究者たちはシリコンを発光させることに成功した

約50年前、インテルの共同創業者であるゴードン・ムーアは、コンピュータチップに搭載されるトランジスタの数は2年ごとに倍増すると予測しました。ムーアの法則として知られるこの悪名高い予測は、その後もほぼ確実に実現しました。インテルが1970年代初頭に最初のマイクロプロセッサをリリースした当時、搭載されているトランジスタの数はわずか2,000個強でしたが、今日ではiPhoneに搭載されているプロセッサには数十億個のトランジスタが搭載されています。しかし、すべての物事には終わりがあり、ムーアの法則も例外ではありません。

コンピューターの脳細胞として機能する現代のトランジスタは、わずか数原子ほどの長さしかありません。トランジスタが密集しすぎると、電子の渋滞、過熱、奇妙な量子効果など、様々な問題を引き起こす可能性があります。解決策の一つは、一部の電子回路を、電子ではなく光子を使ってチップ内でデータを伝送する光接続に置き換えることです。しかし、一つ問題があります。コンピューターチップの主材料であるシリコンは、発光が非常に苦手なのです。

ヨーロッパの研究チームがついにこのハードルを克服したと発表した。オランダのアイントホーフェン工科大学の物理学者、エリック・バッカーズ氏率いる研究チームは水曜日、ネイチャー誌に論文を発表し、発光可能なシリコン合金ナノワイヤの成長方法を詳述した。これは物理学者が何十年も取り組んできた課題だが、バッカーズ氏によると、彼の研究室ではすでにこの技術を用いて、コンピューターチップに組み込める小型シリコンレーザーを開発しているという。従来の電子チップに光子回路を集積することで、チップの温度上昇を抑えながらデータ転送速度を向上し、消費電力を削減できるため、機械学習などのデータ集約型アプリケーションに特に役立つ可能性がある。

「シリコン混合物から作られたナノワイヤからの発光を実証できたことは大きな進歩です。なぜなら、これらの材料はコンピューターチップ業界で使用されている製造プロセスと互換性があるからです」と、マックス・プランク光科学研究所のマイクロフォトニクスグループを率いるパスカル・デルヘイ氏は述べている。デルヘイ氏は今回の研究には関わっていない。「将来的には、光回路と電子回路を組み合わせたマイクロチップの製造が可能になるかもしれません。」

シリコンから光子を放出させるには、構造が重要だとバッカーズ氏は言います。一般的なコンピューターチップは、ウェーハと呼ばれる薄いシリコン層の上に構築されています。シリコンは半導体、つまり特定の条件下でのみ電気を伝導する材料であるため、コンピューターチップに最適な媒体です。この特性により、トランジスタは可動部品を持たないにもかかわらず、デジタルスイッチとして機能します。トランジスタは、特定の電圧が印加された場合にのみ開閉します。

ウエハー内では、シリコン原子は立方晶格子状に配列されており、特定の電圧条件下では電子が格子内を移動できます。しかし、光子は同様の動きができないため、光はシリコンを容易に透過できません。物理学者たちは、シリコン格子の形状を立方体ではなく六角形の繰り返し構造にすることで、光子が材料中を伝播できるようになると仮説を立てています。しかし、実際にこの六角形格子を形成することは非常に困難でした。なぜなら、シリコンは最も安定した立方晶系で結晶化しようとするからです。「人々は40年もの間、六角形シリコンを作ろうと試みてきましたが、成功していません」とバッカーズ氏は言います。

バッカーズ氏とアイントホーフェンの同僚たちは、約10年間、六方晶シリコン格子の作製に取り組んできました。彼らの解決策の一つは、ガリウムヒ素ナノワイヤを足場として用い、シリコン-ゲルマニウム合金から所望の六方晶構造を持つナノワイヤを成長させることでした。シリコンにゲルマニウムを添加することは、光の波長やその他の光学特性を調整する上で重要です。「予想よりも時間がかかりました」とバッカーズ氏は言います。「5年前にはここまで到達できると思っていましたが、プロセス全体を微調整する必要がありました。」

バッカーズ氏らは、シリコン合金ナノワイヤが光を発するかどうかを検証するため、赤外線レーザーを照射し、反対側から出射する赤外線の量を測定した。バッカーズ氏らが検出した赤外線としてナノワイヤから出射するエネルギー量は、レーザーがシステムに放出したエネルギー量とほぼ一致しており、これはシリコンナノワイヤが光子輸送において非常に効率的であることを示唆している。

バッカーズ氏によると、次のステップは、開発した技術を用いてシリコン合金製の小型レーザーを開発することだという。バッカーズ氏によると、彼の研究室はすでにこの研究に着手しており、年末までに実用的なシリコンレーザーを完成させる可能性があるという。その後の次の課題は、このレーザーを従来の電子コンピューターチップとどのように統合するかを考えることだ。「これは非常に重要な課題ですが、同時に難しい課題でもあります」とバッカーズ氏は語る。「現在、その方法を見つけるためにブレインストーミングを行っています。」

バッカーズ氏は、将来のコンピューターチップが完全に光になるとは予想していないと述べています。マイクロプロセッサなどのコンポーネント内では、トランジスタ間の短距離の移動に電子を使用するのが理にかなっています。しかし、コンピューターのCPUとメモリ間、あるいはトランジスタの小さなクラスター間といった「長い」距離では、電子の代わりに光子を使用することで、計算速度を向上させながら、エネルギー消費を削減し、システムから熱を取り除くことができます。電子はデータを1つずつ順番にシリアルに伝送する必要がありますが、光信号は物理的に可能な限り高速、つまり光速で、同時に多くのチャネルにデータを伝送できます。

光子回路は大量のデータをコンピュータチップ上で高速にシャッフルできるため、データ集約型アプリケーションで広く利用される可能性が高い。例えば、車載センサーから膨大な量のデータをリアルタイムで処理する必要がある自動運転車のコンピューターにとって、光子回路は大きなメリットとなる可能性がある。また、光子チップはより日常的な用途にも活用できる可能性がある。電子チップほど熱を発生しないため、データセンターはそれほど多くの冷却インフラを必要としなくなり、膨大なエネルギーフットプリントの削減につながる可能性がある。

研究者や企業は既にレーザーを単純な電子回路に統合することに成功しているが、プロセスが複雑でコストが高すぎて大規模実装には至らなかったため、これらのデバイスはニッチな用途にしか利用されていなかった。2015年には、MIT、カリフォルニア大学バークレー校、コロラド大学の研究者グループが、光子回路と電子回路を単一のマイクロプロセッサに初めて統合することに成功した。「この実証は、チップスケールの電子光子システムの時代の幕開けを象徴するものであり、コンピューティングシステムのアーキテクチャを変革し、ネットワークインフラからデータセンター、スーパーコンピュータに至るまで、より強力なコンピュータを実現する可能性を秘めている」と研究者たちは論文に記している。

バッカーズ氏と彼の同僚たちは、従来のコンピュータチップの主成分への応用を実証することで、光コンピューティングの実用化に向けて新たな大きな一歩を踏み出しました。電子コンピュータチップは半世紀にわたり、私たちのコンピューティングニーズに忠実に応えてきましたが、データに飢えた現代社会においては、プロセッサを光速まで引き上げる時が来ています。

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