最近の数年間、光通信業界は5GとAIの推進により大きな進展を遂げ、光インフラの急速な成長をもたらしました。データセンターネットワークの速度は、400Gから800G、1.6Tへと徐々に発展し、近い将来では3.2Tに達するでしょう。データセンターネットワークの急速な発展は、光モジュールの速度の連続的な進歩を促しています。しかし、現代の高性能ネットワークの要求に応えるために、光トランシーバーは速度だけでなく、消費電力、パッケージングなど、さまざまな面で進化する必要があります。これにより、さまざまな新しい技術が登場しました。
目次
トランシーバー開発における課題
技術の進化は、単に数値を倍増させることだけではありません。400Gの段階に到達した後は、データ伝送速度の向上だけでなく、増加した消費電力やコストに関連する課題にも取り組むことが不可欠です。
初期の時代では、10Gトランシーバーは約1Wの電力を使用していました。しかし、400Gと800Gになると、トランシーバーの消費電力は急激に増加し、30Wに達し、機械全体の総消費電力の40％以上を占めるようになりました。2010年と比較して、2022年の総消費電力は22倍に増加しました。光通信機器のエネルギー消費の増加は、データセンター全体のエネルギー使用とコストに大きな負担をかけています。これらの課題に対処するため、業界では2つの主要な解決策、従来のプラガブルオプティクス（CPO）とリニアドライブプラガブルオプティクス（LPO）を探求しました。
LPOトランシーバーの紹介
LPOテクノロジーとは何ですか?
LPO（Linear-drive Pluggable Optics）は、トランシーバーのパッケージング技術です。この技術は、線形駆動戦略を使用して、優れた線形性と均等化能力を持つトランスインピーダンスアンプ（TIA）とドライバーチップ（DRIVER）でDSPを置き換えます。ASIC基板、ASIC（リタイマー）、およびASICダイなどの特殊なコンポーネントを使用して、信号処理を最適化し、光通信システムで効率的なプラグアンドプレイ機能を実現します。
LPOトランシーバー: リニアドライブ技術を備えた革新的なモジュール
LPOトランシーバーは、データ通信に線形アナログコンポーネントを使用し、複雑なCDRやDSPシステムが不要となります。DSPソリューションと比較して、LPOトランシーバーは消費電力とレイテンシーの面で大幅な節約を実現し、AIコンピューティングセンターにおける短距離・高帯域幅・低消費電力・低レイテンシーのデータ通信ニーズに適しています。
DSPとCDRとは何ですか?
すべての従来のトランシーバーがデジタル信号処理（DSP）を採用しているわけではありません。ただし、厳しい信号要件が存在する高速トランシーバーでは、DSPは必要不可欠となります。DSPは、高速トランシーバーの要求の厳しい信号処理ニーズを満たす上で重要な役割を果たす、チップ上で実行されるアルゴリズムです。デジタルクロック回復機能や分散補償機能などを有し、システムのビット誤り率（BER）への影響を減少させることができます。ただし、その一方で高い消費電力とコストがあります。例えば、400Gのトランシーバーでは、使用される7nmのDSPの消費電力は約4Wであり、モジュール全体の消費電力の約50%を占めます。
クロックデータリカバリ（CDR）は、データの復元にも使用されます。受信信号からデータシーケンスを抽出し、そのデータシーケンスに対応するクロックタイミング信号を回復することで、受信した特定の情報を復元します。
リニアドライブ技術について
LPOソリューションの線形駆動技術は、トランシーバーからDSP/CDRチップを取り除き、関連機能をデバイス側のスイッチングチップに統合することです。トランシーバーでは、高い線形性を持つドライバーチップ（DRIVER）とトランスインピーダンスアンプ（TIA）のみが残され、連続時間リニア均等化（CTLE）および均等化（EQ）機能が統合され、高速信号をある程度補償します。
LPOトランシーバーの利点
LPOトランシーバーは、従来のトランシーバーと比較して、消費電力、コスト、レイテンシー、およびメンテナンスの4つの側面で以下のような利点があります。
低消費電力
DSPの欠如は、間違いなく消費電力の大幅な削減につながります。Macomのデータによると、DSP機能を組み込んだ800Gマルチモードトランシーバーの消費電力は13Wを超える場合があります。対照的に、線形駆動技術を活用した800G LPOトランシーバーは、著しく低い消費電力であり、4W未満です。
低コスト
先述の通り、DSPに関連する材料費（BOMコスト）は、20〜40％という大きな割合を占めており、DSPを削除することでこのコストは効果的に削減されます。ドライバーとTIAの両方にEQ機能を統合することで、わずかな追加コストが発生しますが、全体的な支出は実質的に減少します。業界の分析によると、800GトランシーバーのBOMコストは約600〜700ドルで推定されており、DSPチップの単独のコスト範囲は50～70ドルです。ドライバーとTIAにEQ機能を組み込むことで、わずかなコスト増加（3～5ドル）が発生します。この計算されたアプローチにより、全体的なシステムコストは約8％の削減となり、約50〜60ドルの節約が実現します。
低レイテンシー
DSPの削除により、1つの処理ステップが削減され、データ伝送のレイテンシーが低下します。この利点は、最適なパフォーマンスのためにレイテンシーを最小限に抑える必要があるAIコンピューティングのシナリオにおいて特に重要です。
簡単なメンテナンス
CPOフレームワークでは、システムデバイスの故障が発生した場合、ボード全体の電源を切って交換する必要があり、メンテナンス作業にかなりの不便をもたらします。これに対して、LPOトランシーバーのプラグ可能性により、システム全体の電源を切る必要なく効率的な交換が可能となり、LPOソリューションの全体的な利便性が向上します。これにより、ファイバーケーブルの簡素化だけでなく、機器のメンテナンスもスムーズに行えます。
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プラガブルモジュール
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LPO
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CPO
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消費電力
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高い
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かなり低い
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低い
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コスト
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高い
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かなり低い
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低い
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かなり高い
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かなり低い
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低い
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製品の成熟度
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高い
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かなり低い
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かなり低い
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保守性
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良い
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良い
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良くない
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リンクパフォーマンス
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良い
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平均
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良い
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相互接続のエコロジー
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良い
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良くない
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良くない
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LPOトランシーバーの現在の課題
LPOトランシーバーには、現在2つの主要な課題が存在しています。
短い伝送距離
LPOトランシーバーには、DSPを削除することに関連するコストがあります。TIAとドライバーチップは完全にDSPを代替することはできず、そのためシステムのビットエラーレートが上昇します。ビットエラーレートが高くなると、伝送距離は必然的に短くなります。業界では、LPOトランシーバーは通常、データセンターキャビネット内のサーバーとスイッチの間など、特定の短距離アプリケーションシナリオに適していると考えています。LPOトランシーバーは、数メートルから数十メートルの距離を接続することができます。将来的には、最大500メートルまで拡張される可能性もあります。
LPOテクノロジーの標準化は行われていない
LPOの標準化はまだ初期段階にあり、そのため相互運用性の問題が生じる可能性があります。そのため、LPO技術は現在、比較的閉じたシステムであり、単一のソースしか持たないシステムに適しています。LPO技術を導入する企業は、技術仕様とソリューションの設計能力、デバイスやトランシーバーの境界条件の調査、および多数の統合と相互運用性テストを実施するなど、特定の技術的な能力を持っている必要があります。
さらに、いくつかの専門家は、LPO技術がシステム側の電気チャネルにおいて重要な設計上の問題を抱えていると指摘しています。現在のSerDesの主流仕様は112Gであり、まもなく224Gに更新される予定です。専門家は、LPO技術が224G SerDesの基準を満たすことができないと感じています。
結論
LPO技術の発展は、光トランシーバーにおける重要な飛躍を示しています。その主な特徴は、DSPを標準トランシーバーで置き換える線形駆動技術の使用であり、消費電力と価格の低減などの利点を提供します。したがって、LPOトランシーバーは、特に低消費電力、コスト効率、低レイテンシー、メンテナンスの容易さが重要な要素である光通信システムの効率とパフォーマンスを向上させるための有望な代替手段です。
