漆章：光電融合 ―― 物理法則を書き換える「光の回路」

漆章：光電融合 ―― 物理法則を書き換える「光の回路」

漆章 光電融合 ―― 物理法則を書き換える「光の回路」

陸章で我々は、論理の言葉を「3進数」に変えた。 だが、その論理を動かす「物理的な身体」が、既存のシリコンチップ（電気）のままでは意味がない。 電気が銅線を通る限り、抵抗による発熱（ジュール熱）という物理の壁は超えられないからだ。

日本が放つ第二の矢、それが**「光電融合（Photonics-Electronics Convergence）」**だ。 チップの中まで「光」を通すことで、物理法則そのものを書き換える。

■ 魔改造：TPU v7 から v10 “Zetta” へ

弐章で、我々はGoogleから**「TPU v7」の設計図を入手した。 我々は、この世界最高峰の設計図をベースに、日本の独自技術を注入する「魔改造」を行う**。

最大の違いは、もはやシリコン上の「電気回路」ですらない点だ。

  • ベース: Google TPU v7の「行列演算ユニット（MXU）」の設計思想。
  • 改造点1（配線）: 電子を運ぶ銅線を、光子を運ぶ**「光導波路」**に全て置換。
  • 改造点2（演算）: 電子のトランジスタを廃止し、光の波を制御する**「3値光ゲート（光干渉計）」**を搭載。

■ 光で「3進数」をどう表現するか？

電気のように電圧（+5V, 0V）を変えるのではない。光の**「位相（波のタイミング）」**を使う。

  • 状態 +1: 波の山（位相 0）
  • 状態 -1: 波の谷（位相 π）
  • 状態 0: 光がない（無 / Null）

この3つの状態の光をぶつける（干渉させる）ことで、一瞬にして足し算や掛け算を行う。これが**「光論理演算」**だ。 電気スイッチのパチパチという切り替えではなく、光の波が重なり合う自然現象を利用して計算するのだ。

※技術的注釈：なぜ位相多重（PDM）を使わないのか？ 通信の世界では位相をずらして信号を増やす技術があるが、本機では位相そのものを「数値（+1/-1）」として消費している。そのため、位相空間は計算のために占有されており、タスクを増やす（多重化する）ためには使えない。これが次章で述べる「物理的なレーン数」を必要とする理由だ。

■ 次元の超越：3Dテンソル演算

ここが最大の革新だ。 従来の電気回路は、配線が交差するとショートするため「2次元（平面）」にしか作れなかった。 しかし、光は交差しても互いに干渉せず、素通りする（透過する）。

この性質を利用し、我々は回路を**「3次元（立体ジャングルジム構造）」に組み上げる。 AIの行列データ（テンソル）をスライスすることなく、「立体のまま」**光を通すだけで、一瞬で演算が完了する。

■ 2.5 ZettaFLOPS の数理的根拠

「本当に今の1000倍もの性能が出るのか？」 その答えは、以下の物理係数の掛け算によって証明される。

  1. 速度（Hz）の革命: 電気回路の限界は数GHz（熱が出るため）だが、光の周波数は数百THz。これだけで処理速度は1,000倍になる。

  2. 色（Color）の革命：マイクロコム（Micro-comb） ここが日本の技術の真骨頂だ。 通常、100色（周波数）の光を使うには100個のレーザーが必要で、装置が巨大化してしまう。 しかし我々は、たった1つの光源から数百の異なる色の光を生成する**「光周波数コム（マイクロコム）」**を採用した。

    これにより、お弁当箱サイズの端末（Home-8）の中に、数百台のサーバーに匹敵する並列処理能力を詰め込むことができる。これで100倍の並列化だ。

  3. 論理（Logic）の革命: 陸章で述べた「3進数」により、情報密度が1.58倍に高まる。

Speed (1000)×Color (100)×Logic (1.58)≈150,000倍\text{Speed (1000)} \times \text{Color (100)} \times \text{Logic (1.58)} \approx \text{150,000倍}

既存のシリコンチップと比較して、理論上のポテンシャルは10万倍以上。 現実的なボトルネックを考慮しても、目標値である**2.5 ZettaFLOPS（毎秒25垓回）**への到達は、物理的な必然なのだ。

■ アナログの弱点を補う「ハイブリッド・アーキテクチャ」

光アナログ演算は「重い計算」は得意だが、ルーターのパケット制御や単純なスイッチ操作のような「小回りの効く制御」は苦手だ。 そこで、TPU v10 “Zetta” は、単独の光チップではない。

  • 光コア（Optical Core）: 行列演算、画像認識、生成AIなどの「右脳」的処理。
  • デジタルコア（Digital Core）: 通信制御、デバイス管理、割り込み処理などの「左脳」的処理。

この2つを1つのチップに封入した**SoC（System on Chip）**とすることで、従来のコンピュータの利便性を維持しつつ、AI処理能力だけを異次元に引き上げている。

■ 通信の革命：パケットからの解放

従来のインターネットは、データを小分けにしてバケツリレーする「パケット交換方式」だった。これでは途中のルーターで遅延が発生する。 我々のネットワークは違う。

  • 光回線交換（Optical Circuit Switching）: 発信元（家庭）と送信先（原発要塞）の間で、特定の「波長（色）」を予約する。 すると、その経路上の全ての分岐点は鏡の角度を変え、**「物理的に一本に繋がった光のトンネル」**が開通する。

  • ノー・パケット（No Packets）: このトンネルの中では、デジタル信号への変換も、宛先の確認も不要。 光は、何も遮るもののない真空を進むように、遅延ゼロで日本の端から端まで突き抜ける。 これが、数百キロ離れたデータセンターを「１つのチップ」と見なせる物理的根拠だ。

→捌章：列島要塞へ続く