ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2022.7

No.427

TODAY

次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発プロジェクトの先へ想定して、６年目に新規材料の追加を検討していました。材料開発テーマ発掘のために、永久磁石材料ならびに軟磁性材料において、複数の実施者により（国研）産業技術総合研究所
複数のテーマで MagHEM とは別に研究開発が行わ磁性粉末冶金研究センター長 れました。しかし、2016 年度の中間評価が確定する前に、6 年目の予算が凍結され、新規テーマを迎尾崎 公洋
えるどころか、プロジェクトが立ち行かなくなる可2000 年代初頭から材料資源の問題が経済活動に 能性が出てきました。そこでプロジェクトをスリム影響を及ぼし始め、中でも希土類元素、特にネオジ 化し、すでに MagHEM において成果が出始めていム磁石の高温特性に効果を及ぼす重希土類元素は、 た磁石材料に開発の焦点を定め、また、モーターの価格の上昇や産出国が限定されている点から懸案事 研究開発テーマを何とか残すようにプロジェクトの項であり、重希土類元素が低減されたネオジム磁石 構成の変更が余儀なくされました。
が開発されていました。しかし、2011 年の重希土
また、2015 年に国連で採択された SDGs のアク類元素の高騰は想定をはるかに超えたものであり、 ションプランが各国で策定される中、地球温暖化にそれらを使用しない永久磁石の開発が急務となりま 対する対応が各国で急速に進み、CO2 の排出についした。そこで 2012 年に、磁石の最大のアプリケー て様々な取り組みがされ、モビリティの分野では各ションであるモーターの高効率化を最終目標とし 国で自動車の電動化が急激に進んでいることは周知て、経済産業省・NEDO プロジェクト「次世代自動 のことと思います。小型・高効率モーターの必要性車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」が立ち が急務になり、磁石の需要が加速度的に増加するた上がりました。経済産業省と文部科学省が基礎と応 め、重希土類元素はおろか、現在使用されているネ用の両輪で連携する「未来開拓研究開発」の、一つ オジム磁石のネオジム元素の需要が供給を超える可の主要研究テーマとしてこの 10 年プロジェクトは 能性も予測されています。元素が枯渇するという事開始され、高効率モーター用磁性材料技術研究組合 では無く、需給バランスが崩れるという事です。こ（MagHEM）がこのプロジェクトを委託され実施し のような背景を受け、最終年度の 2021 年度にプロました。材料開発から応用先であるモーター開発ま ジェクト目標にネオジム元素の使用量を削減するこでを含めたテーマ構成は当時でも珍しいプロジェク とを追加しました。
トであったと思います。研究成果はすでに報告会やこのプロジェクトを受託して実施していたMagHEM展示会などで発表をしており、また、JRCM NEWS はプロジェクトを実施するという役割を終え、2022（2022.1 No.423）においても報告されています。
年 5 月末に解散しました。これからは、研究開発
10 年先というのは、社会情勢もさまざまな変化 成果を実用化、社会実装のステージに移ります。旧が起こり予測できません。磁石やモーターといった MagHEM メンバーが連携して、成果を実装できるよ
ローカルな世界においても、プロジェクト開始前に うに引き続き開発を続けます。
は想定しなかった事象が発生したため、目標の見直資源リスクは経済を左右する重要課題であり、磁しや追加を行いました。2016 年に行われた中間評 石材料に限ってもプロジェクト開始時から 10 年経価において、開発モーターの効率目標数値が 2015 過した現在においてもこの根本的課題は解決されて年に市販されたハイブリッド自動車に搭載された いません。材料開発によって、少しでもリスクの分モーターにおいて達成されているのではないかとい 散ができるようになればと考えております。加えて、う指摘を受け、モーターの目標をさらに一段高いと リサイクルやリユースに適した材料開発、また、そころに設定し直しました。また、当初の計画では、 れに対応できるモーター設計など、サーキュラーエ前半の５年間で新たな材料候補が出てくる可能性を コノミーを考える必要があると思います。
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JRCM REPORT

異種材料集積光エレクトロニクスを用いた高効率・高速処理分散コンピューティングシステム技術開発－ NEDO 委託事業－
技術研究組合光電子融合基盤技術研究所
異種材料集積デバイス・分散コンピューティング研究推進部部長

森高章

1. はじめに2030 年代の人々の生活は、よりコンピューティン
グ及びネットワークに依存する社会となるため、デー10 Tbps 級を実現した場合の消費電力を見積もると1600 W になり、これはトランシーバを設置するサーバ NIC（Network Interface Card）ボードにおける給電・タセンター内のサーバ間、データセンターとエッジサーバ間、エッジサーバ間の連携では更なる高速大容量伝送が実現され、その伝送容量は現在の 50 倍以上となります。この時代には、地理的に離れたコンピューティング拠点同士が相互に接続され、状況に応じて計算資源の分かち合いを行う高速分散コンピューティン

冷却能力が 100 W 以下（単位エネルギー消費量 10 pJ/bit 以下）である事を考えると非現実的な数値となります。しかしながら、将来的な低消費電力化の見通しとしては、すでに光デバイスの改善はある程度のレベルまで行われているうえ、信号処理のためのデジタル信号プロセッサにおいても CMOS の微細化が困難を極めグが実現され、人々の生活に不可欠な技術になっていると考えられます。この高速分散コンピューティングの実現においては、通信速度が DRAM の帯域と同等の10 Tbps 級の伝送容量が必要になると予測されており、るため、大幅な低消費電力化は困難であると予想され、なんらかのブレークスルー技術の導入が必須です。
3. 異種材料集積光エレクトロニクスを用いた高効率・高速処理分散コンピューティングシステム技術開発

超高速動作と超低消費電力を両立する光トランシーバ

3.1. 事業の目的の開発が不可欠になります。
しかしながら、この開発においては多くの課題が存在しており、その課題解決と社会実装に向けた取り組みとして、2021 年 7 月から「異種材料集積光エレク

本事業では、上述の課題を解決するため、次世代コンピューティング技術として、「地域的に離れ相互に接続されたコンピューティング拠点同士で、その状況に応じて計算資源を分かち合い、かつ低い伝送エネトロニクスを用いた高効率・高速処理分散コンピューティングシステム技術開発」プロジェクトがスタート

ルギーで計算処理が可能な高速分散コンピューティン
グ」を実現させ、その事業化への道を切り拓いていくしました。本稿では、
本事業の概要について紹介します。 ことを目的とします。
2. 現状の課題
3.2. 事業の内容
2.1. 現状の分散コンピューティングの課題
現状の分散コンピューティングでは、一般にデータ転送ボトルネックによる並列処理の効率低下を回避す

図 1 に、本事業で技術開発を行う「異種材料集積光エレクトロニクスを用いた高効率・高速処理分散コンピューティングシステム」（以下、光エレクトロニクスるために、可能な限りデータ転送が不要となるよう設計されており、大容量のデータが発生する場所と、それを処理する計算資源が地理的に散在した場合、計算分散コンピューティングと称す）の全体像を示します。
図 1 に示す様に、光エレクトロニクス分散コンピューティングを実現せるためのコアとなる技術開発が、３処理の効率低下が発生します。これは、前述したようにメモリ帯域と、コンピュータ同士をつなぐネットテーマあります。光トランシーバの技術課題の解決手段となる「複数の半導体材料（III-V 族半導体とシリコワーク帯域間にギャップがあることに起因します。また、それぞれに存在するサーバの処理性能の違いによる非効率化が発生します。

ン）の利点を活かせる異種材料接合を利用した光集積2.2. 現状の光トランシーバの技術課題
10 Tbps 級の高速動作を実現する光トランシーバの課題として、光トランシーバを構成する既存の光デバイスでの高速化への対応に限界が見えています。既存の光デバイスを使用する場合、多数レーン化（複数素子による多チャネル化）が必須となりますが、素子の大型化、並列処理により消費電力が増加します。仮に現在商用化されている 200 Gbps 光トンシーバを並列化してJRCM NEWS No.427

図 1. 異種材料集積光エレクトロニクスを用いた高効率・高速処理分散コンピューティングシステムの全体像

2回路技術（以下、異種材料集積技術と称す）」、および「10 Tbps 級・低消費電力（<10 pJ/bit）の光トランシーバを実現するためのアーキテクチャ」の技術開発、分散コンピューティングの課題の解決手段となる「接続サーバの能力を最大限活かしきるための多方路エラスティックネットワークアーキテクチャ」の技術開発となります。
また、コア技術以外にも、「国際標準化の研究」および「10 Tbps 超光トランシーバ実現のための革新的図 3. III-V 族半導体、シリコンフォトニクスおよび異種材料集積による光デバイスの比較研究開発」も行います。
これらの技術開発は、企業メンバーを中心とする「技術研究組合光電子融合基盤技術研究所（PETRA）」が、NEDO から受託し、産官学連携体制のもと実施しています。図 2 に、本事業の研究開発体制を示します。

図 4. 光集積回路を構成する素子の一例：
III-V/ シリコン異種材料集積波長可変レーザ
図 2. 研究開発体制図

3.3.2. 10 Tbps 級・低消費電力光トランシーバを実現するアーキテクチャ
また、光エレクトロニクス分散コンピューティング

3.3. 研究開発のコア技術
3.3.1. 異種材料集積技術

光エレクトロニクス分散コンピューティングでは、 の実現に必要な 10 Tbps 級低消費電力光トランシーバ
10 Tbps 級の超高速伝送と、10 pJ/bit 程度の低消費 に適用する、高効率な光インターフェース技術を開発
電力を両立する光トランシーバが求められており、そ します。具体的には、光周波数軸と変調振幅軸で多重の実現に向けたトランシーバアーキテクチャの効果を 化を行う新しい光トランシーバアーキテクチャに基づ引き出すためには、10 Tbps 級の超高速動作と、低消 き、送受信光フロントエンド技術、および光周波数並費電力を両立する光集積回路の実現が不可欠となります。しかしながら、光通信システムに広く用いられて列化技術の研究開発を行います。
図 5 に、技術開発の一例として、送信光フロントエ

きた単一材料光デバイス（III-V 族半導体光デバイス、シリコンフォトニクス）においては、超高速動作と低消費電力の両立に限界が見えています。III-V 族半導体
光デバイスとシリコンフォトニクスには各々に得失があるため、新たに導入する異種材料集積技術では、こンド技術（光 DAC（Digital Analog Converter）送信器）の概要を示します。この技術では、従来消費電力を大きく占めている電子回路の機能の一部（電気 DAC、線形増幅器）を光回路にオフロード（光 DAC 化）する事で、電子回路の負担を低減し、低消費電力化（60％削減）を実現させます。

れらの材料の利点を活かし、適材適所に配置することで、単一材料光デバイスの特性限界を克服し、単なる「いいとこどり」を超える超高速動作と低消費電力を両立する大規模光集積回路を実現します。
（図 3）
図 4 に、技術開発の一例として、本テーマで開発す3.3.3. 多方路エラスティックネットワークアーキテクチャ
そして、前述した異種材料集積技術による高速低消費電力光トランシーバを光エレクトロニクス分散コンピューティングにおいて効率的に活用するために、接続したサーバの処理速度に合わせて、データ転送するる大規模光集積回路を構成する一素子である、III-V/シリコン異種材料集積波長可変レーザを示します。図の左側に素子の模式図を示し、右側に実際に試作した帯域を可変で割り当てるネットワークアーキテクチャの研究開発を行います。

素子の異種材料接合部の SEM 写真を掲載しています。
異 種 材 料 接 合 部 は、III-V 族 半導体の InP からシリコンへ光を導く光結合部となり、結合効率を 高 め る た め に InP 側 が テ ーパ構造になっています。この試作品では、波長可変範囲が 56nm と、広範囲での単一モード動作を達成しています。

図 5. 送信光フロントエンド技術
JRCM NEWS No.427

3本ネットワークアーキテクチャの研究開発においては、様々なコンピューティング / ネットワークシナリオをサポートする必要があり、さらには、計算資源間の開発が熾烈になっていますが、これに付随して市場拡大、マルチソース化による製品の安定供給・価格低減ならびに製品間の相互運用性確保等を目的とした業を接続する論理的な光パストポロジと伝送遅延を決定する物理的な光ファイバトポロジとのマッピング、10Tbps 級光トランシーバに特有の制御パラメータや物理特性など、多種のパラメータを考慮したシステム設計・最適化も必要となります。そこで、図 6 に示す様界標準・国際標準策定の動きも活発になっています。
このような状況を踏まえ、技術的優位を保持しつつ研究開発の成果を広く普及させるため、国際標準化に関する活動を実施します。
3.4.2. 10 Tbps 超光トランシーバ実現のためのに、これら様々なパラメータを組み入れた、伝送資源と計算資源とを統合的に扱う最適資源割当手法、割り当て結果を反映して実際の機器を設定するためのネッ
トワーク管理制御メカニズム、実際の機器で適応的に設定した光パスにおいて適切に信号を疎通させるため革新的研究開発
本事業では、10 Tbps の光トランシーバの開発に留まらず、10 Tbps を超える光トランシーバを実現するための革新的な技術の研究開発をも行います。この研究開発では、図 7 に示す様に、レーン当たり 100の伝送品質管理手法の研究開発を行います。また、資源割当手法、管理制御メカニズム、伝送品質管理手法の連携動作を実現します。

Gbaud 以上の高シンボルレート化技術、24 波長以上の多波長化技術、低消費電力な送受信方式技術を研究開発し、消費電力やデバイスサイズを増やさずに更なる高速伝送を目指します。
4. おわりに本事業で開発する光エレクトロニクス分散コン
ピ ュ ー テ ィ ン グ は、 高 度 化 す る 情 報 社 会 に お け る
基 盤 を 築 き、
「 プ ラ ン ト・ イ ン フ ラ 安 」、「ものづくり・ ロ ボ テ ィ ク ス 」 等 の ConnectedIndustries か ら
AR や VR を用いたエンターテイメントアプリ等のスマートライフまで幅広い利用分野の要となる技術であり、政府が目指す未来社会 Society 5.0 の実現に貢献すると考えます。Society 5.0 の実現に向け、本技術の開発に取り組んでまいります。

図 6. 多方路エラスティック
光ネットワークアーキテクチャの概念図

謝辞
こ の 研 究 開 発 は、 国 立 研 究 開 発 法 人 新 エ ネ ル
ギ ー・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構（NEDO） の 委 託 業 務

3.4. その他の研究開発項目
3.4.1. 国際標準化の研究増大するデータ量に対応するため高速トランシーバ （JPNP16007）として実施しています。

図 7. 10 Tbps 超光トランシーバ実現のための革新的技術の概要

The Japan Research and Development Center for Metals

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JRCM NEWS ／第 427 号

2022 年 7 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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