光ネットワークの超低エネルギー化に向けて
産業技術総合研究所
ネットワークフォトニクス研究センター
石川 浩
文部科学省 先端融合領域イノベーション創出拠点の形成
「光ネットワーク超低ネルギー化技術拠点」
ルータ消費電力の大幅な削減の必要性
2000 2010 2020 2030 2040 2050 10 1,000,000 1 100 1,000電子ル
ー
タ年間消
費電力
（億
k
W
h
）
100,000 0.1 10 1 100 1,000 10,000全インターネットトラ
フィック
（Tbp
s)
100,000 年間総発電量 10,000 （2007年） 3～4桁の 消費電力 削減が必要1.71Tb/s(H22.11)
映像情報Total Video File Sharing(P2P) Web,E-mail,Data 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 2010 2011 2012 2013 2014 2015
日本の個人のインターネットトラヒック予測 （2010- 2015年）
0 1.0 3.0 2014 2015 2010 2011イン
ターネットトラ
ヒック
(EB/
月
)
2012 2013 ビデオ 年率1.46 倍 インターネットトラヒック 年率1.36倍で増加 ファイル共有：年率1.18 倍 2.0 ウェッブ, 年率1.38 倍source: Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2010-2015
総務省データ (0.55 EB/月)
ハイエンドルータの消費電力
イーサーフレーム（Max1.5kB)
IP パケット（1.6kB)
•スループット ： 768 Gbps
•消費電力：4.4 kW
Alaxala IP router AX7816R
5.7 nJ/bit
5.7 kW/Tbps
Cisco CRS-1(
-3
) （80 racks）
•スループット：92 Tbps(
322Tbps
)
•消費電力：～1MW(～2.2MW)
LSIによるパケット処理のため、消費電力はトラフィックに比例
消費電力の50%がパケット処理
100Tbps ルータ×100 ノード
200 MW (発電所規模)
～10 nJ/bit
(
～6 nJ/bit
)
6
～10 kW/Tbps
空調を入 れると 2MW5
市販ハイエンドルータのスループット当り消費電力（●）と
LSI駆動電圧に基づく省電力化予測曲線
Po w er Co nsu mptio n of IP Rou ter （W/ Gbp s ） 0 5 10 15 20 CRS-3 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 A vera ge LS I Dri ve V ol tag e （V ） 0 1 2 3 4P∝∑（N
CMOS・V
DD ・[C
L・V
S]
・f
CLK））
ｊ→P∝ V
DD2 LSI Voltage 2000: 3.3 V 2004: 2.5 V 2014: 1.2 V 2020：0.8 V 2030: 0.4 V 0 1 2 3 4 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 データ 1Average LSI Voltage
Square of LSI Voltage (normalized)
●は西村信治氏，“クラウドコンピューティングから見たグリーンIT”，「グリーンIT時代を支えるキーテクノロ
光パス・ネットワーク導入による3-4桁の低電力化
・
柔軟な制御が可能
異なる宛先に少しずつ
の転送向き
・
消費電力大
（処理・構造が複雑、光・電気変換）>
6kW/Tbps
・
低消費電力
（データを光のまま通す）
0.2W/Tbps
・同一経路大量転送向き
・
回線制御が必要
従来型パケット交換：パケットごとに宛先 光パス網：回線交換両者の利点を組み合わせたハイブリッドなアーキテクチャー
トラフィックに応じて使い分け
ユーザに使い分けを意識させない
5.7kW/Tbps (Alaxala AX7816R） 6kW/Tbps (Cisco CRS-3)VICTORIES新体制 （H20年度から、H23年度から新体制）（
新規課題
）
“Vertically Integrated Center for Technologies of Optical Routing toward Ideal Energy Savings”制御・ドライバ回路 通信ポート 光スイッチ回路 導波路型スイッチ・変調器 高速化技術 配信 コーディネータ コンテンツ要求 ネットワーク資源 管理 ストレージ等 資源管理 ダイナミック 光パス・ネットワーク NTT 古河電工, トリマティス, NEC, 富士通研 フジクラ, アルネアラボラトリ. ネットワークアーキテクチャスタディグループ 名大：佐藤教授 AIST 光パスプロセッサー シリコンフォトニクス大規模光スイッチ 波長選択性スイッチ ネットワークアプリケーションインターフェース http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/20/05/08051604/001/001.htm Optical Switches 富士通研. NEC, 古河電工 日立電線 NEC, 富士通, 住友電工 光パスコンディショニング 分散補償、多重化技術 ダイナミックノード 波長ルーティング、多粒度対応 情報技術研究部門 ネットワークフォトニクスRC ネットワークフォトニクスRC ネットワークフォトニクスRC ナノエレクトロニク研究部門 ナノデバイスセンター
VICTORIES プロジェクトで開発するスイッチ
多粒度に対応
• ODU スイッチ: 1Gbps-10Gb/s に対応するLSIスイッチ
• 波長選択性スイッチ: 波長資源の有効活用
• シリコンフォトニクス・マトリクススイッチ: ファイバレベルでのクロスコネクト
Image of path-processor by Si-photonics
WSS (1xN, N x M)
AIST, Hitachi Cable AIST, Fujitsu Labs., NEC, Furukawa Electric
Fiber array Optical SW Control circuit
シリコンフォトニクスによる低クロストークマトリックススイッチ
MZI1 MZI2 MZI3 MZI4 1 2 2’ 1’ Intersection 2×2 switchY. Shoji et al., Optics Express, 18, 9071 (2010)
- 80 - 70 - 60 - 50 - 40 - 30 - 20 - 10 1520 1540 1560 1580 1600 1620 Transmittance (dB)
Input - 1 to Output - 1 'cross' state Input - 1 to Output - 2 'cross' state Input - 1 to Output - 1 'bar' state Input - 1 to Output - 2 'bar' state
(c)
50 dB(
バ
)
30 dB(
クロス -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 1520 1540 1560 1580 1600 1620 50dB (Bar) 30 dB (Cross) T rans m is s ion （ｄ B) Wavelength (nm) 1.8 mm • PILOSS • 16 MZs, 9 intersections • Designed for TM(-like) pol. • TO phase shifters 1 2 3 4 1’ 2’ 3’ 4’ 4×4 switchインテリジェントな光スイッチ（光パスプロセッサー）に向けて
Schematic cross section of MOS integrated switch
Si基板 BOX Si層 光導波路 光導 波路 Si基板 BOX Si層 光導波路 光導 波路 NMOS Si-wire waveguide Integration of monitoring PD 光パスプロセッサー インテリジェント光マトリックススイッチ (32 x 32) f n p n p 10-dB Coupler 3 -n p n p 10 -10dB Coupler 3 -3dB Coupler Heater f
開発中の課題
• 偏波ダイバーシティ構造による偏波無依存スイッチ • クロストークのさらなる低減（要新規アイディア） • 多ポートのファイバ結合モジュール • スイッチの評価技術ＮＩＣＴ，ＮＨＫと連携して光パスネットワークの実証に成功
（2010年8月）
ＡＩＳＴパスネットワークの消費電力
デモ構成 （1, 10, 43 Gbit/s混在） 全ポート 100 Gbit/s 使用時 全ポート 1 Tbit/s 使用時ネットワー
ク総消費電力
（kW
）
0.1 1.0 10 100 1000 IPルータ 使用時予想 今回デモ構成 全てシリコン フォトニクス 光スイッチ 使用時予想 1,000倍 の効率 公開デモ実験13
