通常「光インフラ」といえば、インターネットの「光回線」（光ファイバーケーブル）を思い浮かべる人が多いだろう。銅線に比べて通信速度が圧倒的に速く、伝送距離も格段に長い光ファイバーケーブルは、インターネット回線の他、数千キロメートルも離れた大陸間を横断する海底ケーブルなどにも用いられてきた。
その「光インフラ」が、新たな用途で急速に脚光を浴び始めている。引き金となったのは、ここ数年の生成AIの急速な普及と、それを支える半導体の高性能化だ。
「AIに対応するデータセンターが巨大化し、その数が急激に増えたことで、データセンター間や、データセンターとAIを動かすコンピューターとの間のデータ通信量も爆発的に増えています。銅線では大量のデータを高速かつ安定的に伝送するのが難しく、消費電力もかかるので、『光』化が急速に進んでいるのです」
こう語るのは、国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下、産総研）の研究組織の一つである、光電融合研究センターの天野建研究センター長だ。
光電融合とは、コンピューターや通信の信号処理において、電気信号と光信号を一つのチップ上で融合させ、データ処理の高速化と省電力化を実現する次世代技術のこと。同センターは、その研究開発と社会実装を推進するため、2025年4月に設置された。
CPOとAPN
AI時代の必須インフラへ
AIや半導体の進化とともに、光回線は「より短い距離」へと適用範囲を広げてきた。
「かつては大陸間などの長距離通信が主な適用範囲でしたが、最近ではデータセンター間、コンピューター間、さらにはコンピューター内のチップ間やボード間まで『光』でつなごうとする研究開発が進んでいます。どんなにチップが高性能化しても、やりとりするデータの伝送速度が遅かったり、不安定だったりすると、AIの性能が十分に発揮できなくなる可能性があるからです」
そこで注目を集めているのが「CPO」（Co-Packaged Optics）と呼ばれる技術だ。簡単に言えば、AIの計算に使うGPU（画像処理装置）チップの近くに光インターフェースを直接組み込み、光ファイバーでデータをやりとりする仕組みである。
従来は、データを光信号に変換する「光トランシーバー」という部品がGPUとは別の場所に置かれていた。これをチップにじか付けすることで、伝送ロスと消費電力を劇的に削減できる。今や世界の最先端データセンターではGPUパッケージ1個が消費する全電力のうち1〜2割が「データを動かすためだけ」に費やされているといわれている。この伝送ロスを限りなくゼロに近づけ、電力を全て計算能力に充てたいというニーズがCPO普及を後押ししている。早ければ27年にも商用化される見通しだ。
「AIデータセンターによる大量の電力消費が世界的な問題となる中で、その切り札となるのが『CPO』をはじめとする光電融合技術です。われわれ光電融合研究センターも、国内の光関連の部素材メーカーなどと緊密に連携しながら、技術の実装に向けた研究開発を進めています」と天野氏は説明する。
光インフラの革新は、データセンター内やデータセンター間だけで完結しない。「今後は企業が自社でAI推論を行う『AIファクトリー』を持つ時代がやって来ます。その際に重要となるのが、データセンターと企業をつなぐ光インフラです」。
国立研究開発法人産業技術総合研究所光電融合研究センター
研究センター長
天野 建氏
2004年、東京工業大学にて博士号を取得。同年、産業技術総合研究所に入所し、光デバイスの研究開発に従事。12年よりNEDOプロジェクトにおいて光電融合技術の研究を開始。次世代グリーンデータセンター用デバイス・システムに関する協議会（GDC）を主導するほか、NTTと共同でIOWN Global Forumにおける材料・部品の評価標準化にも取り組む。
そこで天野氏が注目するのが、NTTが推進する次世代情報通信基盤構想、IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）と、その中核技術APN（All Photonics Network）だ。
従来の通信ネットワークは、データをパケット（小分けにされた情報の塊）に分割して送る「パケット通信」が主流だった。これは多数の利用者が回線を共有するには合理的な方式だが、AI処理に必要な「大量のデータを一気に、低遅延で送る」用途には不向きだ。
「大きな情報は、小分けにせず専用の経路（パス）を張って一気に送る必要があります。APNはまさにその発想で、情報の通り道から処理する場所まで、全てを『電気』ではなく『光』のまま扱う技術です。従来と比べ格段の低消費電力、高速大容量、低遅延伝送を実現します」
APNは「スケールアクロス」と呼ばれる複数のデータセンター間を高速で結ぶ中核インフラとしても期待されている。こうした流れの中で、通信キャリアが整備するAPNネットワークに対応した高性能なネットワーク機器の需要も急速に高まっている。
光関連技術は日本の“お家芸”
高精度・高信頼性が武器に
光インフラの革新と拡大は、日本企業にとって大きなチャンスだと天野氏は言う。光通信の部素材――光ファイバー、半導体レーザー、光コネクターの分野において、日本はかねて世界トップクラスの技術力を有しているからだ。
その歴史は深い。ガリウム・ヒ素（GaAs）半導体レーザーは日本の研究者が基礎を築き、青色LEDはノーベル賞を受賞した日本人研究者らが実用化した。スマートフォンの顔認証（Face ID）に使われる「面発光レーザー（VCSEL）」も日本発の技術だ。光トランシーバーの中核部品や光ファイバーでも、日本のメーカーは今なお世界をリードしている。光インフラを支える技術は、日本の“お家芸”といえる。
今後実用化されるCPOにおいても日本企業は重要な役割を果たす。CPOは半導体チップと一体化されるため、取り外して交換することが難しい。だからこそ、高速性・低消費電力性に加えて、長期安定動作という「高信頼性」が光学部材の絶対条件となる。まさに日本企業の得意とするところだ。
全ての演算を光で
「光演算」がもたらす未来
天野氏がセンター長を務める光電融合研究センターでは、光インフラのさらに先の未来を描いている。「光演算」である。計算の一部を、電気ではなく光のまま処理するという発想だ。GPUが行う膨大な計算のうち、情報を「集めて平均化する」プロセス（All-Reduce演算）は、光の足し算・分配という単純な操作で代替できる可能性がある。これが実現すれば、電力消費を大幅に抑えながら計算速度を飛躍的に向上させることができるのだという。
いつか全ての演算を光でできる時代が来るかもしれない。「そういう世界を目指して研究を続けています」と天野氏は語る。
日本が光インフラ時代のリーダーシップを取るためには何が必要なのか。天野氏の答えはシンプルだ。
「部品・素材では世界トップクラスの技術があります。足りないのはそれを『組み上げてパッケージとして見せる』力。産総研はその足りない部分を補う存在でありたいと思っています」
長距離通信からデータセンター間通信、そしてコンピューター内部の通信へ。光は今、遠距離の回線網から演算装置の心臓部へと、着実にその版図を広げている。AI時代を支える光インフラの革新は、まだ始まったばかりだ。
