AIデータセンターを変えるマイクロLED――ヘッドランプから始まる次世代光インターコネクトの可能性

日付：2026年3月12日　出典：ams OSRAM

AI時代の盲点は演算性能ではなくデータ転送にある

AI技術の進化を考えるとき、多くの人は機械学習や大規模言語モデル、GPU、高帯域幅メモリー、さらにはチップレットやヘテロジニアス統合といった先端半導体技術を思い浮かべる。しかし、AIデータセンターの将来を考えるうえで、意外にも自動車のヘッドランプが重要な示唆を与えている。いま、高度なアダプティブビーム式フロントライトで培われた技術が、データセンターにおけるネットワーク帯域、効率、信頼性の課題を解く光接続技術として注目されている。

AIの学習と推論の需要が急拡大するなか、製造装置メーカーやシステムメーカーには、演算能力をさらに引き上げる強い圧力がかかっている。もっとも、現在の最大のボトルネックは演算そのものではない。GPUやNPUなどのxPUは、AIデータ入力を驚異的な速度で処理できる段階に達しているためだ。問題は、xPU間、xPUとメモリー間、そしてラック内サーバー間で、どれだけ高速にデータを移動できるかという点にある。

銅配線の限界と光インターコネクトの必然

従来の銅ベースの電気配線は、身近で安価であり、電気回路にも組み込みやすいという利点を持つ一方、AI演算システムを大規模化するうえでは拡張性に限界がある。とりわけ最大30メートル級に達するような距離では、銅配線はより高い送信エネルギー、より強いイコライゼーション、より複雑な信号補正を必要とする。背景には電磁干渉の問題があり、その克服のために消費電力と発熱が増大し、結果として帯域密度、システム効率、信頼性の向上を妨げてしまう。

そのためデータセンター業界は、ネットワーク帯域を拡大する手段として光インターコネクト技術へと軸足を移してきた。この流れはインターネット基幹網で先行しており、海底ケーブルのように敷設と保守のコストが非常に高い世界では、1本あたりの伝送量を極限まで高める技術が磨かれてきた。現在の大陸間光伝送ネットワークでは、1レーンあたり最大1.6Tbits/sに達するリンクも運用されている。

ただし、こうした「高速・狭幅」の設計思想は、1本の光の通り道に可能な限り多くのデータを、可能な限り高速で流すやり方であり、システムは複雑で、電力消費も大きく、コストも高い。さらに1本のリンクが停止すると影響が大きく、システム可用性の面でも単一障害点になりやすい。レーン速度をさらに上げようとすると、実装の難易度とコストが指数関数的に増していくため、このアーキテクチャがどこまで拡張可能なのかも見通しにくい。

ヘッドランプ技術がAIデータセンターに生きる理由

インターネット基幹網ではケーブルそのものが高価であるため、1本あたりの伝送量最大化は避けられない選択だった。しかし、データセンターは必ずしも同じ制約を負っているわけではない。そこで関心が高まっているのが、「高速・狭幅」ではなく「低速・広帯域」という新しい発想である。これは、1本の超高速リンクを使う代わりに、数百から数千本のより低速な並列光チャネルを使い、より高い総帯域をよりシンプルで低コストな部品で実現しようとする考え方だ。

この方式では、従来の高出力レーザー1個の代わりに、数百個規模のmicroLEDがデータ送信源になり得る。ただし、数百から数千のmicroLED送信器を並列光チャネルとして組み上げた実績は、データ通信分野ではまだ十分に確立されていない。そのため、この「低速・広帯域」構想を現実のものにするには、サーバー内のデータ処理部やデータ保存部の近くに多数の超小型光エミッターを高密度に配置し、しかも24時間365日止まらないAI需要に応えられるだけの信頼性を確保しなければならない。

この厳しい条件に対し、すでに自動車市場では有力な実証例がある。チップスケールで数千個ものmicroLEDを並べたアレイは、耐久性と堅牢性が強く求められる車載用途で検証されてきた。つまり、自動車用ヘッドランプは、AIデータセンター向け光インターコネクトの将来像を示す先行事例になっているのである。ams OSRAMのアダプティブビームヘッドライト向け光源「EVIYOS」は、まさにその代表例だ。

写真1：EVIYOS製品では、ams OSRAMがmicroLEDアレイとドライバー回路を単一のコンパクトなパッケージに統合している

EVIYOSの単一チップには、2万5600個のmicroLEDアレイが搭載されている。各microLEDの大きさは人間の髪の毛の半分程度で、22.0mm×17.5mmという小型パッケージの中にCMOSドライバーチップと一体化されている。2万5600個の各「画素」は個別制御が可能であり、ヘッドランプは路面に複雑な照射パターンを描き出せる。このmicroLEDとCMOSドライバーの独自統合技術は、「Digital Light」としてドイツ未来賞を受賞しており、そこから生まれた製品は現在の量産車でも高い信頼性と堅牢性を示している。

microLEDで実現する低速・広帯域アーキテクチャ

光インターコネクト向けにmicroLEDを使う場合、基本的な製造技術はヘッドランプ向けと近いが、構成は異なる。ヘッドランプではmicroLEDが高密度のモノリシックアレイとして配置されるのに対し、データ通信ではmicroLEDを製造したウエハーから個片化して切り出し、それぞれの発光素子が専用の光ファイバーや導波路に接続できるよう基板上に実装する。その後、この基板を対象のCMOSウエハー上に組み立てる構成が想定されている。

microLEDは極めて小さいため、これを用いたデータ通信トランシーバーは非常に高い帯域密度を実現できる。ams OSRAMの社内調査によれば、microLEDエミッターは10メートルのリンク全体において、1レーンあたり3.0Gbits/sのデータレートを、2pJ/bit未満という非常に低いエネルギーで達成でき、しかも業界標準が求める10⁻¹⁵未満のビット誤り率仕様を満たせるという。

また、1本の超高速回線を数百本の並列接続に置き換えることで、AI機器メーカーはデータセンター向けに重要な複数の利点を得られる。まず信頼性の面では、microLEDは冗長チャネルを備えたシステム構成に対応しやすく、1個のエミッターが故障してもそのまま穏やかに切り離し、予備チャネルで補える。効率の面では、「低速・広帯域」アーキテクチャでは各エミッターのスイッチング周波数が比較的低く、一般には1GHz前後で動作するため、インターネット基幹網の超高周波レーザー送信器に比べて消費電力を抑えられる。発熱も減ることで、装置運用側は熱設計の余裕を確保しやすくなる。さらに構成の単純さも大きい。従来の「高速・狭幅」方式では、AIアクセラレーター内部の並列データ流を一度直列化して送信し、受信後に再び並列化する必要があるが、ams OSRAMのmicroLEDベース方式は本質的に並列であるため、複雑で高コストなシリアライズ／デシリアライズ処理を減らせる。

ams OSRAMの量産力とAIデータセンター向け展望

ams OSRAMは、欧州で唯一のmicroLED量産メーカーだという。量産能力はすでに実証済みで、EVIYOS製品は2023年から自動車業界向けに量産出荷が行われている。これは、microLEDが研究段階の技術ではなく、厳しい品質要求に耐える現実の量産技術として成立していることを示す材料といえる。

同社は現在、この技術をAIデータセンター向け光インターコネクトへ適応するため、データセンター機器メーカーとの連携に前向きな姿勢を示している。たとえば、高周波データ送信に適したドライバー回路の統合、パッケージ設計の最適化、商用の光コネクター、ケーブル、ファイバーとの相互接続性確保などが、今後の具体的な開発テーマになる。

さらにams OSRAMは、microLEDだけでなくフォトダイオード、すなわち光受信素子も製造している。このため、送信側と受信側の両方を含む統合型光データ転送システムの中核プレーヤーとして機能できる可能性がある。AIデータセンターで求められるのは、単なる素子供給ではなく、帯域、消費電力、熱設計、信頼性まで含めた総合的な光接続ソリューションであり、その意味でも同社の立ち位置は大きい。

写真3：microLEDアレイとフォトダイオード受信器を統合し、AIデータセンター向け高帯域データ伝送ソリューションを構成する概念図

すでにmicroLEDと光インターコネクトを組み合わせる初期コンセプト設計も用意されている。自動車ヘッドランプで実証されたmicroLEDの高信頼・高集積技術が、次の段階ではAIデータセンターの帯域拡張を支える基盤技術へと発展する可能性がある。今後、AIインフラの進化を語るうえで、GPUやHBMと並んで、microLED光インターコネクトというキーワードの重要性はさらに高まっていきそうだ。