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富士通の光技術への取組み～高性能コンピューティングの実現に向けて～

2015年 6月16日

株式会社富士通研究所取締役会長富田達夫博士（情報学）

NEDO 光エレクトロニクスシンポジウム

Copyright 2015 FUJITSU LABORATORIES LTD.

アジェンダ

富士通のビジョン

コンピューティング性能の高機能化と

インターコネクト技術の進展

光インターコネクト技術

シリコンフォトニクスへの取組み

Copyright 2015 FUJITSU LABORATORIES LTD. 1 1

富士通のビジョン

Copyright 2015 FUJITSU LABORATORIES LTD. 2


ビジネスプロセス変革

ネットワークセントリック

知の創造行動支援

インテリジェントソサエティ

ヒューマンセントリック

新たな価値の創出

1990 2010 2020 2000

ICTの活用範囲

ICTのパラダイムシフト

生産性向上

コンピュータセントリック

“技術中心”から“人間中心”へ：より人間主体の活動を支援

3

Fujitsu Technology and Service Vision

ビジョン、お客様への価値提案、実現するテクノロジーとサービス

富士通の事業運営の基盤

• 研究開発

• 商品戦略

• マーケティング


ヒューマンセントリック・イノベーション


ヒューマンエンパワーメント

コネクテッドインフラストラクチャー

人

クリエイティブインテリジェンス

情報

インフラ

デジタルな情報とリアルなモノやインフラをつないで人をエンパワーし、ビジネスと社会の価値を創出

5

ハイパーコネクテッド・クラウド

サーバ、ストレージ、アプリ単体からクラウドへ

フロントネットワーク・デバイスがクラウドのアーキテクチャーに浸透

複数のクラウドのアメーバ的連携でハイパーコネクテッド・クラウドが形成


ICTの基盤技術

ICTの基盤技術

ICTの基盤技術

知能コンピューティングフロント

コンピューティング高速大容量無線通信データセンタ

機械学習

Deep Learning

データ収集価値提供

セキュリティ

スケーラブル

分散システム

高度ICT運用管理データ

6

ヘルスケア農業教育交通・物流

環境社会インフラエネルギー防災・減災

Computer Architecture

Network Architecture

Cognitive Computing

Social Science

Physical and

Chemical

富士通研究所のR&D戦略体系


ICT

メガトレンド

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コンピューティング性能の高機能化とインターコネクト技術の進展


コンピューティングでのインターコネクト


スイッチ

サーバ

ストレージ

サーバユニット

CPU

メモリー

サーバボード

CPU

インターコネクト

インターコネクトは装置／ユニット間のデータ伝送技術

構成要素の能力を活かしシステムの高性能化を支える基幹技術

高速・大容量化で、システム・アーキテクチャを変革する可能性も

9

サーバにおけるインターコネクト

構成要素の性能向上に伴い、広帯域化が必要

25 Gbps伝送を必要とする箇所が増加


サーバ

LAN

SAN

ストレージﾌﾟﾛｾｯｻ間通信

CPU CPU

メモリ

IOチップ

伝送速度（Gbps）

CPU－ﾒﾓﾘ間

LAN （Ethernet）

SAN （Fiber channel）

ﾌﾟﾛｾｯｻ間通信（Infiniband）

CPU間

CPU－IOﾁｯﾌﾟ間

（PCI Express）

10 20

10-25

8-16

14-25

12-25

8

30

1.6-4.2

ネットワーク

10

高速シリアル伝送の進展

単一チャネルの伝送速度は10 Gbpsを越え25 Gbpsに

光伝送が視野に入るレンジに突入


100G

10G

5 Gbps x16 8 Gbps x16

16 Gbps x16

2005 2010 2015

10 Gbps x1

25 Gbps x4

2020

伝送帯域

1000G

（1T）

1G

年 11

スパコンのCPU間インターコネクト

大規模並列処理のため、CPU間に高い伝送容量が必要


Ref. “The Tofu Interconnect 2”, Hot Interconnects 22 (2014)

例1：京コンピュータ

例2：FUJITSU Supercomputer

PRIMEHPC FX100

・伝送速度6.25 Gbps

・CPUあたり500 Gbps

・伝送速度25.78125 Gbps

・CPUあたり1.03125 Tbps

光インターコネクト適用

光

電気

光トランシーバ

Ref. “京について”, http://www.aics.riken.jp/jp/k/system.html

（4 lanes/link, 10links/ CPU）

（8 lanes/link, 10links/ CPU）

12

光インターコネクト技術


光インターコネクト

光の特性を活かした高速(≧10 Gbps)のインターコネクト

①長距離を一定電力で高速伝送可能、②低相互干渉

伝送距離の長いラック間は既に適用、ボード間での適用も開始

今後、接続の高速化とともに、より短距離にも適用の方向


コネクタ

サーバ／ストレージ

ラック間 10m - 300m

ボード間 < 10 m

ボード内（チップ間） < 50 cm

チップ内 <1 cm

ミッドプレーン (～1 m)

広域ネットワーク

LAN

ブレードサーバ

スイッチ

実用化研究・開発段階基礎研究段階

CPU

OE変換素子

メモリ

コア

14

光インターコネクトのボード間適用







コネクタ

ラック間 10m - 300m

ボード間 < 10 m


チップ内 <1 cm



LAN


スイッチ


CPU

OE変換素子

メモリ

コア

15

ミッドプレーンでの光インターコネクト

ブレード間をミッドプレーンとコネクタで光接続（電気接続と同様の形態）必要な技術

①大量の光導波路を搭載したボード（大容量光ミッドプレーン）

②ブレードとミッドプレーンを接続する高密度光コネクタ

③高速・小型の光トランシーバ


スイッチブレード

サーバブレード LSI

光導波路

LSI

②高密度光コネクタ ①光ミッドプレーン ③高速・小型光トランシーバ

16

①大容量光ミッドプレーン

1500本の光ファイバを収容した光ミッドプレーンを実現

光配線部：高屈曲が可能な光ファイバシート採用でコンパクト化


フェルール

光ファイバ

電気ミッドプレーン

ミッドプレーン

LSI

LSI

ミッドプレーン

高密度光コネクタ

光ファイバシート

光ミッドプレーン

（450 mm×200 mm）光ファイバシート

Ref: Matsui, et al., OFC2013, OWA.4 本成果は(株)富士通研究所と古河電気工業(株)との共同開発によるものです。

17

②高密度光コネクタ

ブレードとミッドプレーンを接続するコネクタ

電気と光を一括接続できる形態

96心対応の光コネクタを開発

•光ファイバの端面研磨を

不要にして低コスト化


光コネクタ

電気コネクタ

ミッドプレーンブレード

LSI

LSI

ミッドプレーンブレード

21.5 mm

13.4

mm

Ref: Matsui, et al., OFC2013, OWA.4

本成果は(株)富士通研究所と古河電気工業(株)との共同開発によるものです。

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③高速・小型光トランシーバ

VCSEL（送信）/GaAs PD（受信）を用いた 25 Gbps×4ch 構成

光エンジン：FPC-OE

ポリマー光導波路を形成したフレキシブル基板形態の光／電気コンバータ

光部品は全てフリップチップ実装

（手間のかかる光モニタリング位置調整を不要にし、小型・低コストを実現）


ボード

放熱フィン

・光デバイス（VCSEL, PD）×4ch

・電子回路（ドライバ, TIA）

光エンジン：FPC-OE

光コネクタ 22 mm

ポリマー光導波路

70 mm

ボードへ実装した光トランシーバ

制御回路搭載

基板

Ref: Yagisawa, et al., ECOC 2012 , We.1.E.3

19

シリコンフォトニクスへの取り組み







コネクタ


ラック間 10 m – 300 m

ボード間 < 10 m


チップ内 <1 cm



LAN


スイッチ


CPU

OE変換素子

メモリ

コア

光インターコネクトのチップ間適用

21

光変調器

大容量データ伝送に向けた課題

より限られた領域で大容量データ伝送を実現するための高密度化が課題

シリコンフォトニクスによる電気・光変換の導入が有望


2018年 2020年

データ伝送密度

(G

bps/m

m)

10

100

現在

ボードエッジ型

ラック間

ボード間

チップ間

オンボード型

オンパッケージ型

受光器

シリコンフォトニクス

22

300 mm f

シリコンウェーハ


電子回路と同じシリコンを用いた光素子集積技術

Si細線導波路による小型光素子の実現

CMOSプロセスライン活用による大規模集積化/低コスト化

光-電子モノリシック集積のポテンシャル


Si細線導波路

曲げ半径

= 8 mm

一部写真はPETRAにご提供頂きました

NEDOプロジェクト「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」

技術研究組合光電子融合基盤技術研究所(PETRA)で実施

23

高密度実装技術

電子回路による橋渡し実装構造の提案

CPUからの距離短縮でリタイマ不要、低消費電力化

フリップチップ実装による伝送特性向上


CPU 光ファイバ

パッケージ基板

ドライバ/TIA

シリコンフォトニクス 150 mm ピッチ

C4 バンプ 50 mm ピッチ

C4 バンプ

CPU

光IO

【断面図】

一部図面はPETRAにご提供頂きました

24

試作した回路チップ

試作したシリコンフォトニクス、電子回路チップ


TIA

150 mm

CPU 光ファイバ

ドライバ

～15 mm


TIA シリコンフォトニクス

150-mm

C4バンプ 50-mm

マイクロC4バンプ

変調器/PD

パッケージ基板

ドライバ/TIA

ドライバ/TIA

28 nm CMOS回路電子回路による橋渡し実装構造（断面写真）

写真はPETRAにご提供頂きました

Ref. Hayakawa, et al.

OFC2015

25

橋渡し実装による25 Gbps伝送

光リンクを構築し25 Gbpsエラーフリー伝送の実証


変調器

シリアライザファイバドライバ TIA

受光器

ファイバ

パッケージ基板パッケージ基板

~15 mm ~15 mm

25 Gbps 光波形

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

10-12

Bit

err

or

rate

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3

Rx input power (dBm)

ビット誤り率

【送信側】【受信側】

25 Gbps 電気波形

動的消光比 11 dB

受信パワー (dBm) Ref. Hayakawa, et al. OFC2015

データはPETRAにご提供頂きました

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ハイパーコネクテッド・クラウドに向けて


光による高速・大容量のデータ伝送は基盤技術としてシステムの高性能化を推進

ICTの基盤技術

知能コンピューティングフロント

コンピューティング高速大容量無線通信データセンタ

機械学習

Deep Learning

データ収集価値提供

セキュリティ

スケーラブル

分散システム

高度ICT運用管理データ

光インターコネクトシリコンフォトニクス

LSI

LSI

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富士通の光技術への取組みtitle...

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