2026年11月13日（金）
データ伝送は“電気”から“光”へ、半導体史上最大の変革「光電融合」に備えよ
株式会社エンライト 伊藤 元昭
半導体業界では、1958年に集積回路技術が発明されて以来の本質的技術革新が着々と進められています。情報処理する回路中のデータ伝送を“電気信号”から“光信号”へと刷新する「光電融合」です。
図1 半導体チップで処理するデータを光信号で入出力する時代が到来
出所：Marvell Technology
現在の情報処理システムの中で、最も高い性能が求められているのが、AIの学習・推論などの処理を実行する最先端データセンターです。そこでは、データ伝送のさらなる高速・大容量化と消費電力の最小化に向けて、光電融合技術の導入が進められつつあります（図１）。光電融合とは、電気信号と光信号を相互に変換しながら、演算処理やデータの蓄積などを制御しやすい電気回路で、データ伝送を高速化・大容量化・低遅延化・低消費電力化の同時実現が可能な光回路で、それぞれ分担して実行する技術のことです。
光電融合は、半導体業界の技術体系や業界構造、勢力図を一変させる可能性がある重要かつ大きな変革です。なぜならば、現在の半導体業界のバリューチェーンは、あらゆる側面において電気回路のチップ上への集積を大前提として構築されているからです。光回路の導入は、バリューチェーンの再構築が必須になることを意味します。チップを開発・製造しているメーカーはもとより、製造装置や材料、関連部材、さらには設計技術やEDAツールまで、あらゆる側面で技術とビジネスの再構築が求められます。
光電融合技術は、長距離伝送から短距離伝送へと段階的に適用
一般に、通信やインタフェースといったデータ伝送技術には、技術トレンドに明確な方向性があります。長距離伝送向けに開発された高性能化・高効率化・多機能化技術が、システムレベルの高性能化が進むことで、より短距離での伝送にも適用されていくというものです。パケット通信、シリアル通信、IP（Internet Protocol）通信、高度な多重化・変調、そして光通信など――。データ伝送技術の多くは、まず長距離通信技術として実用化が始まり、その後、施設内のLAN、ラック間通信、ボード間インタフェースと、より短距離の通信領域へと適用されてきました。
こうした中での光通信の実用化は、現在、1m強の距離に相当するボード間インタフェースの領域にまで適用されるようになりました。既に、ボード内のチップ間通信への適用も実用化段階に入りつつあり、この段階に至って、半導体産業が直接対応すべき技術テーマとなりました。電気回路ベースのチップと光信号でパッケージ間通信を行うための光素子を1つのパッケージ内に集積する技術「Co-Packaged Optics (CPO)」を活用したネットワークチップが、米NVIDIAや米Broadcomなどから市場投入されるようになりました。
将来的には、パッケージ内のチップレット間や機能ブロック間、さらには素子間のデータ伝送も、確実に光化されるとみられます。NTTが提唱する光コンピューティング構想「IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）」においても、こうした段階的に光通信の適用範囲を短距離化していく発展シナリオを描いています（図2）。
図2 NTTが描くIOWN構想のロードマップ
出所：NTT
こうした光電融合技術の導入が見られる応用は、データセンターのようなIT分野の施設・機器だけではありません。次世代車に導入される車載Ethernetにも適用される方向です。既に光通信の車載Ethernetの標準化が完了しており、対応ネットワークチップも製品化されています。さらにシステム構成が次世代車と似ているフィジカルAI関連の自律制御型機器/ロボットの内部においても、光通信技術が多用されるとみられています。
半導体の技術体系のありとあらゆる面が変化
半導体産業にとって、光電融合技術の導入は、単に電気配線を光配線に置き換える以上のインパクトがあります。半導体に使用する材料、デバイス構造、設計手法、製造プロセス、パッケージング、検査・評価技術など多様な領域で技術面での劇的な変化が生じるからです（図3）。それに伴って、これまで独立して発展してきた半導体産業と光通信・光デバイス産業のサプライチェーンが融合してくることでしょう。
図3 光電融合の導入による半導体チップの技術要素の変化
出所：筆者が作成
現在の半導体技術の中核は、シリコン基板上に膨大な数のトランジスタを形成して論理回路やメモリーを構成する技術です。光電融合では、従来のCMOS回路に加えて、光信号の生成、変調、伝送、検出といった機能を持つデバイスが必要になります。もちろん、演算制御、論理判断、記憶などは、シリコンCMOSで構成する電子回路が主体のままです。ただし、従来の半導体産業では周辺的存在だった光半導体や化合物半導体の技術が、最先端コンピューティングの価値を決める中核的技術の一つになる可能性があります。
設計技術も大きく変化します。従来は、論理回路を設計し、トランジスタや配線の配置を最適化することで、データ伝送の遅延、消費電力、発熱などを改善していました。光電融合では、これまでの改善テーマの多くが抜本的に解決できるようになる代わりに、光学的な特性を考慮した設計を行う必要があります。例えば、光導波路の曲がり方による損失、隣接する導波路間の光結合、光変調器の波長依存性、温度変動による特性変化などです。その一方で、電気回路の最適設計も残るわけですから、電気と光を融合させたシステムレベルでの最適設計が求められてきます。
それに伴って、設計ツールにも、以下のような機能を持つものが求められます。電子回路と光回路を統合してシミュレーションする機能、光導波路の配置、光損失、電磁界分布を解析する機能、光電変換器を含む信号品質と消費電力の評価、光回路の温度依存性を考慮した熱・電気・光の連成解析、光チップと電子チップのパッケージ内配置・接続の最適化といった機能です。さらに、EDAとともに利用する設計キット（PDK）にも、光素子のモデル、設計ルール、製造ばらつきの情報が必要になってきます。
前工程にも変化が生じます。シリコン系材料で光信号を伝送する導波路を形成するシリコンフォトニクスでは、CMOS製造技術の多くを転用可能です。しかし、光導波路、光変調器、受光素子などの形成には、専用の材料や工程、プロセス制御が必要になってきます。光回路では、光の伝送損失や共振波長が、伝送路の形状・膜厚の微妙な違いに左右されます。また、レーザーなどを実現する化合物半導体とシリコンを一体化する異種材料集積技術も重要になってきます。
とりわけ大きな変革が起きるのが、先端パッケージングです。従来の先端パッケージは、複数の半導体チップを高密度な電気配線で接続する技術が中心でした。光電融合では、それに加えて光学的な接続を形成しなければなりません。従来のチップレット集積で重要だった微細接続、熱設計、信号品質に加え、次のような技術が必要になってきます。光導波路と光ファイバーを低損失で接続する技術、光の結合位置を精密に合わせ、安定させる技術、光チップと電子チップを積層・接合する技術、レーザーの温度管理と光素子への熱影響を抑える技術、光接続部の長期信頼性を確保する封止・固定技術などです。
さらに、検査工程も大きく変わります。電気的な論理動作やタイミング検証だけでなく、光信号が正しく伝送できるかを確認する必要があります。特に重要なのは、光損失、光変調帯域、波長安定性、受光感度、光結合効率などの評価です。また、温度変化や振動などによって光の結合状態が変化する可能性があるため、パッケージレベルでの信頼性評価も不可欠になります。
半導体の技術体系のありとあらゆる面が変化
技術体系の変化に伴い、半導体産業のバリューチェーンにも構造的な変革が生じます（図4）。これまでは、半導体と光通信機器は、材料や一部の製造技術を共有しながらも、基本的には別々の産業として発展してきました。光電融合の普及によって、両者の境界が曖昧になり、新しい産業エコシステムが形成されることになりそうです。
図4 光電融合時代の半導体バリューチェーンに起きる変化と新たな事業機会
出所：筆者が作成
バリューチェーン上では、特に次の4つの産業構造上の変化が重要になりそうです。
まず、ファウンドリの事業範囲が広がりそうです。従来は、顧客が設計した電子回路を製造することが主な役割でした。今後は、電子回路の製造だけでなく、光回路の製造、電子チップと光チップの接合、さらにはパッケージングまでを一体的に提供する方向へと変わることでしょう。先端半導体の受託製造における競争力は、最先端のロジックプロセスだけでなく、光半導体の製造基盤と異種集積能力をどこまで持つかによっても左右されそうです。
次に、光通信部品メーカーがコンピューティングの基幹サプライヤになる可能性があります。従来、光通信部品メーカーの主な販売先は、もっぱら通信ネットワークや光トランシーバのメーカーでした。今後、光通信の適用領域がCPU・GPU・ASICのパッケージに近づくにつれて、これらの企業は半導体のサプライチェーンに直接参入するようになります。
さらに、後工程・検査企業の付加価値が上昇することでしょう。光電融合では、チップを製造するだけでは完成品の性能を保証できません。光軸の位置合わせ、実装後の光損失、熱変動、光接続の信頼性など、後工程で管理すべき品質要因が増えるからです。このため、光接続を含む高精度実装や光・電気の一体検査を提供できる企業の重要性が高まります。
そして、半導体メーカーとシステムメーカーの境界が変わることになるかもしれません。光通信を導入すれば、コンピュータ内部の接続距離や帯域幅に対する制約が緩和されます。すると、CPU、GPU、メモリーなどを、従来とは異なる構成で組み合わせて高性能なシステムを構成できる可能性が出てきます。例えば、CPUやGPUとメモリーを別々のモジュールに配置して光で接続し、必要に応じて計算資源を柔軟に組み合わせるディスアグリゲーテッド・コンピューティングという新たなシステムアーキテクチャーの適用も検討されています。その場合、システムメーカーは、半導体の選定や組み合わせだけでなく、光接続の方式、伝送構成、演算資源の配置を含めて最適化する役割を担うことになります。半導体メーカーもまた、チップ単体の性能ではなく、システム全体の演算性能、データ転送性能、消費電力を意識した開発が求められてきます。
光電融合時代の最新情報を総覧できる「SEMICON Japan 2026」
光電融合は、日本政府の「半導体・デジタル産業戦略」の３ステップでの半導体産業再興シナリオの中で、ステップ3の中核を占める重要技術として位置付けられています（図5）。その取り組みは、いよいよ実用化・量産化の段階に入ってきました。光電融合関連の技術開発とビジネス開拓は、今後急加速していくことでしょう。
図5 半導体・デジタル産業戦略のシナリオ
出所：経済産業省
2026年12月9日(水)～11日(金)に東京ビッグサイトで開催される「SEMICON Japan 2026」の展示会場では、最新の光電融合関連技術・製品が数多く展示されます。加えて、カンファレンスやセミナーなどを通じて、様々な切り口から光電融合に関する情報収集の機会を提供します。
同時開催される半導体パッケージングと基板実装分野にフォーカスしたサミット「Advanced Packaging and Chiplet Summit（APCS）」では、12月9日(水)に会議棟7階 国際会議場にて、先端パッケージ技術の最新動向をキーパーソンが解説するカンファレンス「APCSテクノロジーセッション Ⅰ 先端パッケージ領域を取り巻くエコシステム（CPO, 2.5D/3D実装）」を開催します。ここでは、パッケージ間の光通信を実現するCPOを含む最新パッケージング技術の動向、エコシステム、今後の方向性、日本が果たすべき役割と競争力強化の可能性などを議論します。また、12月10日(木)にはSuperTHEATERにて、「APCS 2026 パネルディスカッション AI・データセンターを支える実装技術の最前線 ～光・電気・熱の最適解を探る～」も開催します。こちらでは、AIデータセンターの急成長に伴い、電力消費、発熱などの制約が顕在化している。本パネルディスカッションでは、「光か電気か」を切り口に、情報伝送技術の将来像と電力・熱マネジメントの課題を基礎技術開発、応用開発、チップ製造、利用それぞれの最前線の視座から議論します。CPOや先端パッケージングを含む実装技術が、次世代AIインフラの性能向上と持続的な成長をどのように支えるのかを探ります。
さらに、半導体チップの設計・検証技術とシステムアーキテクチャー技術にフォーカスしたサミット「ADIS（Advanced Design Summit）2026」では、光電融合対応デバイスの設計動向を紹介します。「ADIS-3 光電融合編 光電融合デバイス開発最前線」を12月10日(木)に会議棟 605-606会議室で開催。ここでは、光電融合デバイスのアーキテクチャー、設計、デバイス開発などの最新事情を解説します。
12月10日(木)には会議棟 605-606会議室にて、「光電融合、シリコンフォトニクス 最前線 経営者、新規市場担当者必見！ Silicon Photonics、光電融合、CPO市場の未来予測」を開催します。技術開発と関連市場の動きと展望を、市場アナリストと技術ジャーナリストの目線から俯瞰します。
また、最新半導体製造の動向を学べる国際シンポジウム「SEMIテクノロジーシンポジウム（STS）」のパッケージングのセッション（12月9日、会場内の東8H商談室(1) (2)、およびZoomによるオンラインライブ配信）では、次世代チップレットアーキテクチャの要素技術としてCPO関連技術に関する情報を網羅的に収集できる場を用意します。
本格的な光電融合時代の到来を前に、これから技術開発とビジネス開拓が急加速しそうです。SEMICON Japan 2026は、光電融合時代に進むべき道筋を描くための情報を効果的に収集する絶好の場になりそうです。
