Black Semiconductor：アーヘン発のグラフェン・フォトニクスは、チップ間通信をどう変えようとしているのか

ひと目でわかるポイント

2020年

Black Semiconductorはアーヘンで設立されました。同社は、RWTHアーヘン工科大学と密接な関係を持つ研究機関AMO GmbHの研究環境から生まれました。

2億2,870万ユーロ

これは、欧州のマイクロエレクトロニクスおよび通信技術分野のIPCEIプログラムを通じて、ドイツ連邦政府とノルトライン＝ヴェストファーレン州が拠出を予定している公的支援額です。このうち7,000万ユーロを同州が負担します。

2,570万ユーロ

2024年には、これに加えて民間からのエクイティ投資として同額が調達されました。

300ミリメートル

FabONEは、産業用途で重要なこのサイズのウェハーを対象とし、エレクトロニクスとグラフェン・フォトニクスを組み合わせることを目指しています。

2027年

Black Semiconductorが2026年3月に公表したスケジュールでは、この年にパイロット生産を開始する予定です。

現代のコンピューター性能について語る際、注目はしばしば個々のプロセッサに向けられます。チップにはいくつの演算コアがあるのか。トランジスタはどこまで小型化されているのか。1秒間にどれだけの計算を処理できるのか。

しかし、大規模なAIシステムでは、それだけでは十分ではありません。

こうしたシステムでは、処理が多数のプロセッサやアクセラレータに分散されます。それらを一つの高性能なシステムとして機能させるためには、各部品の間で継続的に大量のデータをやり取りする必要があります。そのため、チップ同士をどのようにつなぐかという問題自体が、計算アーキテクチャの重要な要素になっています。

重要な問いは、もはや「一つのチップがどれほど速く計算できるか」だけではありません。

「多くのチップが、どれほど速く、効率的に通信できるのか」も問われています。

Black Semiconductorが取り組んでいるのは、まさにこの部分です。同社は、データ通信の一部を電気信号だけに依存するのではなく、光によって行うことを目指しています。光そのものが計算を担うのではなく、電子部品同士の通信を支える役割を担います。統合フォトニクスについては、特定の接続用途において高いデータ転送速度と低いエネルギー消費を実現し得る技術として、長年にわたり科学的研究が行われてきました。

グラフェンはシリコンを置き換えるものではない

「グラフェンチップ」という表現は、誤解を招きやすい言葉です。Black Semiconductorが目指しているのは、従来のシリコンプロセッサをすべてグラフェンに置き換えることではありません。

そのアプローチは、既存技術を補完するものです。

計算そのものは、引き続きシリコンを基盤とする電子回路が担います。グラフェンは、電気信号と光信号を相互に変換する部分で利用される予定です。この素材は、相互に結合した炭素原子が一層だけ並んだ構造を持ち、オプトエレクトロニクス用途に適した特性を備えています。

Black Semiconductorの構想では、グラフェンは二つの役割を担います。モジュレーターとして電気的な情報を光信号に載せ、フォトディテクターとして受信した光を再び電気信号へ変換します。光自体は光導波路を通じて伝送されます。

したがって、イノベーションの本質は単一の「夢の素材」にあるわけではありません。異なる機能を、一つの共通した半導体製造プロセスの中で統合しようとしている点にあります。完全に分離したシステムを構築することなく、エレクトロニクスとフォトニクスを可能な限り近い形で連携させることが目標です。

科学的な基盤はすでに存在している

グラフェン・フォトニクスの研究は、FabONEの建設から始まったわけではありません。研究機関では長年にわたり、光モジュレーター、検出器、統合型通信システムへのグラフェン利用が研究されてきました。

2018年にNature Reviews Materialsに掲載されたレビュー論文では、高い帯域密度や低消費電力への可能性などが示されています。同時に、本当の課題も指摘されています。個別の部品を成功させるだけではなく、ウェハー全体で機能する再現可能な製造プロセスへと発展させる必要があるという点です。

2023年には、ベルギーの研究機関imecが参加した研究によって、グラフェンを用いたフォトニクス部品を300ミリメートルCMOS環境に統合できる可能性が示されました。研究チームはウェハー1枚当たり数百個のグラフェン・モジュレーターを評価し、プロセスの最適化後には高い歩留まりを達成しました。

ただし、これらの成果がBlack Semiconductorのシステム全体をそのまま証明するわけではありません。重要なのは、グラフェン・フォトニクスの主要な構成要素が、小規模な研究室レベルから産業的に意味のあるプロセス環境へ移行できる可能性を示していることです。

FabONEは製造段階への移行を目指す

Black Semiconductorは2026年3月、FabONEの建設が始まったと発表しました。施設はアーヘンにある旧自動車関連施設を利用して整備されています。当時の同社の計画では、2026年後半に主要な製造装置を導入し、2027年にパイロット生産を開始する予定です。

Black SemiconductorはFabONEについて、二次元材料に特化した世界初の300ミリメートル半導体製造施設になると説明しています。また同社によれば、エレクトロニクスとグラフェン・フォトニクスを一つの製造フローで統合することも目指しています。

こうした主張には、慎重な整理が必要です。

グラフェンを利用したフォトニクス部品自体は、FabONE以前にも300ミリメートルプラットフォーム上で試験されています。そのため、Black Semiconductorが主張する新規性は、このサイズのウェハーで初めてグラフェンを扱うことにあるわけではありません。同社によれば、専用施設を構築し、電子機能とフォトニクス機能を一つの製造プロセスに包括的に統合する点に特徴があります。

ドイツ連邦経済省が公表している公式プロジェクト概要でも、この計画はすでに確立された大量生産工場としては説明されていません。BRAPHEプロジェクトは、パイロットラインを含む研究開発プロジェクトとして位置づけられています。プロジェクト期間は2024年3月から2030年12月までです。

公的支援と民間資本

Black Semiconductorには、このプロジェクトに対して約2億2,870万ユーロの公的支援が予定されています。このうち7,000万ユーロをノルトライン＝ヴェストファーレン州が負担します。支援は、欧州のマイクロエレクトロニクスおよび通信技術分野におけるIPCEIプログラムの一環として行われます。この枠組みは、研究、産業開発、そして欧州における戦略的なバリューチェーンの構築を支援することを目的としています。

これに加え、同社は2024年に約2,570万ユーロの民間エクイティを調達しました。出資者にはPorsche Ventures、Project A Ventures、Scania Growth Capital、NRW.BANKなどが含まれます。

そのため、総額2億5,440万ユーロという数字がしばしば使われています。しかし、これは単一の民間資金調達ラウンドとして説明すべきものではありません。複数年にわたる公的支援と民間エクイティを合計した金額です。

この規模の投資は、研究から半導体製造へ移行することがどれほど難しいかを示しています。研究室で有望な成果を得るだけでは十分ではありません。クリーンルーム、専門装置、管理された材料、再現可能な工程、そして大規模な生産に対応できる品質保証が必要になります。

本当の試練はこれから

グラフェンがフォトニクス部品に適していることについては、さまざまな研究が行われてきました。また、個々のグラフェン部品をCMOSに近い製造プロセスへ統合する試みも、すでに実証されています。

しかし、産業化という課題が解決されたわけではありません。

今後重要になるのは、Black Semiconductorが計画しているプロセスを長期的かつ再現可能な形で運用できるかどうかです。ウェハー全体で十分な歩留まりを確保できるか。材料品質を一定に保てるか。部品の信頼性を確保できるか。製造コストを管理できるか。そして将来の顧客のシステムへ統合できるか。

帯域幅やエネルギー消費についての実際の改善効果も、システム全体で検証される必要があります。現在公開されている資料の多くは、プロジェクト目標、技術コンセプト、個別部品の研究成果です。FabONEの完全な製造プロセスを対象にした独立したシステムレベルの比較結果は、まだ公表されていません。

そのため、「コンピューターシステムが大幅に高速化する」「より省エネルギーになる」「より安価になる」といった表現は、現時点では実証済みの製品特性ではなく、開発上の目標として理解する必要があります。パイロット生産は、そうした評価を可能にするデータを得るための重要な段階になります。

それでもアーヘンの動きが重要な理由

Black Semiconductorは2020年、AMO GmbHの研究環境から設立されました。この企業の歩みは、多くの欧州の技術プロジェクトが直面する課題を象徴しています。優れた研究成果だけでは、産業的な価値は自動的には生まれません。

科学的な発見と市場投入可能な製品との間には、しばしば最も難しい段階があります。製造工程を拡大し、設備を整え、専門人材を確保し、新しい技術が信頼できることを最初の顧客に示さなければなりません。

アーヘンでは今、まさにそのギャップを埋める試みが進められています。

したがって、注目すべきイノベーションはグラフェンだけではありません。研究成果を管理された、産業的に利用可能なプロセスへ移行させるための仕組みを構築しようとしている点にもあります。FabONEは、材料科学、フォトニクス、従来型半導体技術、そして欧州における新たな製造能力の構築を結び付けています。

これが経済的に成功する技術へ成長するかどうかは、まだ分かりません。しかし、まさにその点に今後の段階の重要性があります。

最初のウェハーには、技術的にプロセスが機能することを示すだけではなく、その工程を繰り返し実施し、拡張し、実際のコンピューターシステムへ統合できることを示す必要があります。

イノベーションの価値は、未来に向けた約束がどれほど大きいかで決まるものではありません。

優れたアイデアを、信頼できるプロセスへ変えられるかどうかで決まります。

Black Semiconductorにとって、その実証は2027年から始まる予定です。

出典: Black Semiconductor「FabONE construction begins: what we’re building and why」（2026年）、「We secured EUR 254.4 million in funding」（2024年）；ドイツ連邦経済省「新たなフォトニクス技術のための研究開発ライン構築（BRAPHE）」プロジェクト概要；ノルトライン＝ヴェストファーレン州経済・産業・気候保護・エネルギー省「Aachener Start-up Black Semiconductor erhält Förderbescheid」（2024年）；Romagnoli et al.「Graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom」Nature Reviews Materials（2018年）；Wu et al.「Wafer-Scale Integration of Single Layer Graphene Electro-Absorption Modulators in a 300 mm CMOS Pilot Line」Laser & Photonics Reviews（2023年）；RWTH Aachen University「The Next Generation of Computer Chips Is Made in Aachen」（2026年）。

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