演算あたりのエネルギーとは

THEME 08 デバイスと回路 · AI演算Energy per Operation

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演算あたりのエネルギーとは、計算や伝送を1回行うのに使うエネルギーです。 配線では1ビット運ぶのに使う量として、pJ/ビットという単位で表します。消費電力そのものは帯域を上げれば増えるので、規模の異なる方式どうしを比べるには1回あたりの値へそろえます。ただし数字だけでは比べられません。面積あたりの帯域と結合の損失を組にして、どこからどこまでを数えた値かを添えたときに、初めて方式の比較に使えます。

1ビットあたりの値に帯域を掛けると、消費電力になる

エネルギー×ビット数＝電力

1ビットあたりのエネルギーと毎秒のビット数を2辺とする長方形の面積が消費電力で、1.5 pJ/ビットで106 Gb/sを送るなら約0.16 Wです。

imecは、2並列のGeSi電界吸収変調器による106 Gb/sの送信器で、消費が1.5 pJ/ビットだったとしています¹。シリコンフォトニクスのPAM-4送信器です。この値に毎秒のビット数を掛けると消費電力になり、1.5 pJで106 Gb/sなら、およそ0.16 Wです。

逆に読むと、同じ0.16 Wでも、運ぶビット数が違えば1ビットあたりの値は変わります。消費電力の大小だけを並べると、帯域の大きい方式ほど不利に見えます。1ビットあたりへ割り戻すのは、この見かけの差を消すためです。

距離が長いほど、光と電気の差が開く

同じ帯域を電気の配線で運ぶ場合との差が、光を採る理由になります。電気は距離とともに1ビットあたりの電力が増え、光は距離の影響が小さいため、距離が長いほど差が開きます。

面積あたりの帯域も組で測る

TSVを使った送受信機の帯域密度は1 Tbps/mm²でした¹。1平方ミリあたりで毎秒1テラビットを運べるという値です。パッケージへ入る面積には限りがあるので、同じ電力でも面積あたりの帯域が低ければ、必要な本数が増えて面積で詰まります。電力あたりと面積あたりはどちらも密度の指標で、方式を比べるときは2つを組で測ります。

結合の損失は、そのまま1ビットあたりのエネルギーに跳ね返る

数える範囲と結合の損失

1.5 pJ/ビットは送信器だけを数えた値で、系全体の値には、光を約0.4倍に細らせる合計4 dBの結合の損失と受光器までが入ります。

imecは、ファイバ間の挿入損失の実測が合計4 dBだったとしています²。4 dBを光の強さの比に当てはめると、届く光は約0.4倍に減る計算です。損失が大きいほど、送る側で強い光を用意するか、受ける側の感度を上げることになり、どちらも電力で払います。imecがコパッケージ光学で結合の各段を詰めているのはこのためで、段ごとの0.5 dBが、そのまま1ビットあたりのエネルギーへ響きます。

送信器だけの値は、系全体の値ではない

系の値は、送信器と受信器と結合の段のすべてで決まるため、指標は系全体で測る必要があります。imecは受ける側も同じ水準へそろえるため、100 GHzの受光器³と正味400 Gbpsの受信を示しています。1.5 pJ/ビットという値は、送信器という範囲を添えて初めて比較の対象になります。どこからどこまでを数えたかが、この指標の条件です。

下げるほど、部品と組み立てで払う

1ビットあたりのエネルギーを下げれば、同じ帯域を低い電力で運べます。その代わり光の部品と変換の回路が増え、面積と費用で払います。感度を上げれば弱い光でも受けられますが、雑音が増えて余裕が狭まります。結合の段を詰めれば損失は減るものの、位置合わせの精度と組み立ての手間が上がります。

よくある質問（FAQ）

演算あたりのエネルギーとは何ですか？

計算や伝送を1回行うのに使うエネルギーです。配線では1ビット運ぶのに使う量として、pJ/ビットという単位で表します。

なぜこの指標を使いますか？

消費電力そのものは帯域によって動くためです。1回あたりへ割ると、規模によらず方式どうしを比べられます。

どのくらいの値ですか？

imecの106 Gb/sのPAM-4送信器では、消費が1.5 pJ/ビットでした。2並列のGeSi電界吸収変調器を使った送信器の値です。

消費電力へどう換算しますか？

1ビットあたりのエネルギーに毎秒のビット数を掛けます。1.5 pJで106 Gb/sなら、およそ0.16 Wです。

面積の指標もありますか？

あります。TSVを使った送受信機の帯域密度は1 Tbps/mm²でした。

なぜ面積も測りますか？

パッケージへ入る面積には限りがあるためです。同じ電力でも、面積あたりの帯域が低ければ必要な本数が増え、面積で詰まります。

光と電気でどう違いますか？

電気は距離とともに1ビットあたりの電力が増えます。光は距離の影響が小さいため、長い区間ほど差が開きます。

比較・違いを学ぶ

メモリの壁とは── この指標が問われる場面
光インターコネクトとは── 1.5 pJ/ビットを出した方式
コパッケージ光学とは── 結合の段を詰める取り組み
スイッチング損失とは── 電力側で同じ考え方を使う指標

出典

3件を表示

1
Imec extends silicon photonics portfolio targeting next-generation data center interconnectsimec-int.com a b
2
imec：Interfacing silicon photonics for high-density co-packaged opticsimec-int.com ↩
3
imec：Photonicsimec-int.com ↩