Ethernetというか10GBASE-Tに関しては、2017年から【10GBASE-T、ついに普及？】と題し、全11回と番外編2回をお届けした。だが、ツイストペアによる銅配線のEthernetは10GBASE-Tまでで、25/640GBASE-Tはまだまだ実用化には至っていない。
【アクセス回線10Gbpsへの道】とも一部は被るかもしれないが、ここでは光ファイバーを利用する“光Ethernet”を紹介していこう。 「光Ethernetの歴史と発展」記事一覧10BASE-Tと同じ仕組みの光ファイバーで最大2kmを実現「10BASE-F」屈折率で伝送距離が異なる「光ファイバー」の材質と構造最大100Mbpsながら伝送距離の異なる「100BASE-FX」「100BASE-SX」などの各規格実効1Gbpsに到達した「1000BASE-SX/1000BASE-LX/1000BASE-CX」拠点間接続に用いる「1000BASE-X」の各種関連規格低価格な光ファイバーで1Gbpsを実現する車載向けがメインの「GEPOF」10Mbpsの「MII」から1000MbpsのCisco独自規格「SGMII」まで1波長で10Gbps、光源と到達距離の異なる「10GBASE-W/R」の各規格10Gbpsのフレッツ光で使われる「10GBASE-PR」、既存ケーブルを流用できる「10GBASE-LRM」XENPAK→X2→XFP→SFP+と移った10GBASEのトランシーバーモジュール規格10Gbpsのシリアル通信規格「XFP」、これを置き換えた「SFP+」10GbEの次は40GbEと100GbE、HSSGによってともに標準化の開始へ最大100Gbps、「IEEE 802.3ba」として標準化された8つの規格IEEE 802.3baで定義されたInterconnectとトランシーバー規格100Gbpsで100mを目指す「P802.3bm」、IEEE 802.3baをブラッシュアップ最大100Gbps・100mの「100GBASE-SR4」と40Gbps・40kmの「40GBASE-ER4」CFPのサイズ半分、最大200Gbpsの「CFP2」、さらに小型化された「CFP4」40Gbpsの「QSPF+」、50Gbpsの「QSFP56」、112Gbpsの「SFP-DD」「QSFP28」25Gbps×4で100Gbps、光Ethernet第2世代「IEEE 802.3bm-2015」の各規格が標準化50Gbpsに対応する5つの規格「50GBASE-KR/CR/SR/FR/LR」「25G PAM-4」で100/200Gbpsを実現する7規格と、SMF1対で100Gbpsの「100G PAM-4」25Gbps×8の「200GBASE-R」では4つのモジュール規格が乱立最大400Gbpsを実現する2つのモジュール規格「OSFP」「CDFP」1レーン50Gbpsで最大400Gbpsを実現する「P802.3bs」レーンあたり50/25Gbpsで400Gbpsを実現する「IEEE 802.3bs」の各規格53.125Gの「PAM-4」を4対束ねた「PSM4」で最大400Gbps「400GBASE-DR4」アクセス回線向けの光ファイバー規格「IEEE P802.3cp/P802.3cs/P802.3ct」位相変調した光信号を復号するコヒーレント光、波長分離多重の「DWDM」併用の「400ZR」「100GBASE-ZR」を残し「IEEE P802.3ct」から「400GBASE-ZR」を分割1対のMMFで100Gbpsを目指す「IEEE P802.3db」IEEE標準ではない光Ethernetの各規格、100G/400G/800Gですでに登場SWDMを用いた100/40Gbpsの「100G-SWDM4-MSA」と「40G-SWDM4-MSA」「100GBASE-LR4」と「100GBASE-SR10」の間を埋める最大100Gbpsの「100G PSM4 MSA」SMF1本で25Gbps×4の100Gbpsを実現、到達距離2kmの「CWDM4 MSA」、40kmの「4WDM MSA」100Gbpsで10/20/40kmの到達距離を狙った「100G 4WDM-10/20/40」「100G PAM-4」で最大100Gbps、到達距離2kmの「100G-FR」と10kmの「100G-LR」SMF1対で100Gbpsの「100G LR1-20/ER1-30/ER1-40」、4本束ねて400Gbpsの「400G-FR」最大400Gbps、到達距離2kmの「400G-FR4」と到達距離10kmの「400G-LR4-10」最大100Gbpsで250kmを伝送可能な「MSA-100GLH」、巨大なサイズと消費電力で採用進まず最大400Gbps、到達距離10kmの「CWDM8」、8×50G NRZの採用で低コストと低電力を実現400Gbpsで到達距離2kmと10kmの「CWDM8 2km/10km」、低OH濃度SMFの採用で損失を抑える400Gを光ファイバー1本で双方向通信する「400G BiDi MSA」、「400GBASE-SR8」を先行規格化50Gが8対で400Gbpsの「400G-BD4.2」、消費電力増や高コストが課題にIEEE「400GBASE-SR4.2」は先行した「400G-BD4.2」と相互互換性を確保高コストで普及に至らない「400GBASE-SR8」と、さらに高価な「400GBASE-SR4.2」最大800Gbpsの100G PAM-4 PHY、ベンダー各社がサポート、受発光素子普及のカギは940nm？ETCがリリースした「800G Ethernet」の仕様は400Gを2つ並べる構造に「QSFP-DD MSA」を発展させる「QSFP-DD800」、供給電源など今後に課題も最大800Gbpsを目指す「800G Pluggable MSA」、3つの変調方式を採用高帯域と低レイテンシーの一方で到達距離は限界へ、800Gへ想定される4つのシナリオPSM4とCWDM4で1.6Tb/secを実現し、到達距離も延長「800G Pluggable MSA」800G Ethernetに関連、OSFP MSAと2つのIEEEの動向800Gの本命「IEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet」、100/200Gの信号で800G/1.6Tを実現200G×8の1.6Tbps、×4の800Gbpsでの転送実現は2023年？100Gが8対の「800GBASE-VR8/SR8」が仕様に追加、BERの目標値決定にはさらなる情報が必須200GにおけるElectricalインターフェースを検討、通信に必要な消費電力は半減へBeyond 400 Gb/s EthernetにおけるOTNサポートは4月の投票でいったん否決1.0E10年のMTTFPAを維持、1.0E-14のBER Targetには高コストなFECが必要にFacebookやMicrosoftのDC事業者が先行、Beyond 400G Study Groupは800Gと同時に1.6Tの標準化を主張200Gの光伝送は技術的に実現可能、一定の損失を前提にすれば現実的なPAM6の検討も？800Gb/sと同時に1.6Tb/s Ethernet仕様も策定へ 200Gb/sレーンの製品出荷は2027年頃？到達距離10kmの「800G-LR」に向け、Coherent-Lite方式を検討を求めるGoogle200Gのシリアルと800GのWDM、どっちが先に100万ポート出荷を実現できるのか？400・200Gb/sのサポートなど、2021年7月ミーティングへの投票は可決が多数800Gで10kmの到達距離を実現する「800Gbps/10km Reach SMF」の4案800Gで到達距離40kmを目指す「ER8」、MZMを採用し、400G向けDSPを2つ並列銅配線での8レーン800Gが規格化、レーンあたり200Gも実現へ？「IEEE P802.3df」のPAR分割に向けた動き、作業効率化の一方で異論も？800G実現に向け、PDM-32QAMで96G/192GBaudとPDM-16QAMで120G/240GBaudをリストアップこれまでの光Ethernet規格振り返りと、「40GBASE-FR」をめぐる議論の経緯「IEEE 802.3cn-2019」は若干のパラメーター変更のみ、「100GBASE-AR/400GBASE-AR」は現時点で幻に「100GBASE-AR」と「400GBASE-AR」は「IEEE P802.3cw」に、PMDの仕様を定義して2023年中ごろに標準化？到達距離500mの「CWDM4-OCP-100G」、低価格な100G Ethernet規格として広く流通し始める#series-contents .current-page { font-weight: bold; }
100G PAM-4を推進していたCiscoやLumentumを中核とする「100G Lambda MSA」
今回紹介する「100G Lambda MSA」は2017年9月12日に結成された。創業メンバーはAlibaba、Arista Networks、Broadcom、Ciena、Cisco、Finisar、Foxconn Interconnect Technology、Inphi、Intel、Juniper Networks、Lumentum、Luxtera、MACOM、MaxLinear、Microsoft、Molex、NeoPhotonics、Nokia、Oclaro、Semtech、Source Photonics、住友電工の各社だ。
この22社がPromotorとなったが、その後2018年9月までに、さらにContributorとして16社加わって計38社となった。その後、最新の状況では、Promotorが21社に（Foxconn Interconnect Technologyが脱退、OclaroがLumentumに買収された一方、HiSiliconがPromotor入りしている）、Contributorが26社にそれぞれ増えている。
その100G Lambda MSA結成の動機は、どうやら「IEEE 802.3cd」の仕様策定の最中に出てきたようだ。
IEEE 802.3cdの成立前後の話は『50Gbpsに対応する5つの規格「50GBASE-KR/CR/SR/FR/LR」』で触れているが、基本は50GbpsのPAM-4変調で、1レーンあたり50Gbpsの通信方式だ。実はこの方式の議論の中で、「50G PAM-4」以外に「100G-PAM4」も候補として取り上げられていた話は『「25G PAM-4」で100/200Gbpsを実現する7規格に続き、1対のSMFで100Gbpsの「100G PAM-4」が実現へ』で触れた。
最終的に、P802.3cd Task Forceでは100G PAM-4の採用を見送ったが、これを強力に推進していたCiscoやLumentumを中核としたグループが、「それならMSA立ち上げて勝手にやるもんね」ということで結成されたのが100G Lambda MSAとなるわけだ。
光源と受光素子が1組のみの「100G PAM-4」を採用
「CWDM4」と比較してモジュールコストを削減
100G Lambda MSAのメリットは、コストの低減である。以下の図はP802.3cdの2016年9月に開催されたミーティングにおける「Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM4 500m」というプレゼンテーションのまとめだが、例えばCWDM4と比較した場合、モジュールコストを大幅に削減できるとしている。
100G PAM-4採用による困難が加味されてないあたり、ざっくりとした見積もりだからということだろう。出典は\”Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM4 500m\”
ポイントは、CWDM4は4つのレーザー光源と受光素子に加え、MUX/DEMUXが必要になり、これがどうしてもコストを押し上げる要因となることだ。100G PAM-4だと光源と受光素子は1組で済む上、MUX/DEMUXは必要ないため、その分コストを下げられる。それもあって最終的にこの案はP802.3cd Task Forceで却下されたが、その前後からMSAを結成する機運が高まっていたのかもしれない。
ちなみに、上の図はLumentum、Cisco、Dell\’Oro Group、Oclaroの4社によるもので、アナリスト団体であるDell\’Oro Groupを除いた3社が100G Lambda MSAの中核になったものと思われる。ちなみに100G Lambdaは、要するに1波長（1λ）で信号を通す、というところから名付けられたものと思われる。
SMF1対で最大100Gbps、最大到達距離2kmの「100G-FR」、10kmの「100G-LR」
MSA結成から4カ月後の2018年1月には、早くも最初のSpecificationである\”100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 1.0\”がリリースされている。
その後、2018年9月にはRevision 2.0がリリースされている。変更点は、IEEE 802.3cd-2018の標準化完了に伴い、Optical Tx/Rxのテスト方法のリファレンスをIEEE 802.3cd-2018にした程度で大きな変更点はない。逆に言えば、MSA結成から4カ月で割と完璧なSpecificationが出たというあたり、MSA結成前から作業が進められていたものと推察される。
さて、その「100G-FR/LR」であるが、どちらもSMFを1対（送受信は別なので2本）で100Gbpsを通す仕様である。到達距離は100G-FRが2m～2km、100G-LRが2m～10kmとなっている。
特徴的なのは、PMAが100Gモジュールで良くあるCAUI-4、つまり25G×4ではなく100GAUI-2、つまり50G×2なことだ。これは多分コストを抑えるためには56G×2の信号が一番都合がいいということから来たのだと思われるが、この当時はまだ50Gに対応したスイッチ製品はあまり一般的とは言えず、ほとんど存在していなかった。
100GのスイッチにはQSFP28モジュールを使うのが通常で、実際にCiscoは2020年1月、CWDM4の100Gモジュールに替えて100G LambdaのFRモジュールである「QSFP-100G-FR-S」の提供を開始しているが、モジュールそのものはQSFP28である。
要するに、モジュールの中へ4:2のGearboxを入れて25G×4を50G×2に変換した上で光に変調する（あるいはその逆）というかたちになっている。これは、仕方がないとは言え当初の「低コスト」が崩れた格好だ。最初の図で言えば、少なくともICの価格は、Gearboxを内蔵したことでやや上昇しているだろう。
電気的、光学的な特性で言えば、利用する波長は100G-FR/LRともに1310nm（1304.5～1317.5nm）。Signaling Rateは53.125±100ppmである。同じように100G PAM-4変調を行う「400GBASE-DR4」と比べても、このあたりのパラメーターは同一だ。
この図の中のMux/Demuxは、要するにPAM-4の変調／復調の部分となる。出典は100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 2.0のFigure 1-1
異なるのは送受信のパワーである。400GBASE-DR4は到達距離が2～500mと比較的短距離向けだったから、送信側のAverage Powerは-2.9～4dBm、受信側は-5.9～4dBm（どちらもレーンあたり）という、比較的おとなしめのスペックだった。
100G-FRは送信側が-2.4～4dBm、受信側が-6.4～4.5dBm、100G-LRは送信側が-1.4～4.5dBm、受信側が-7.7～4.5dBmと、かなり受光側の感度を引き上げている。400GBASE-DR4がファイバーによる損失を3dBまで許容するのに対し、100G-FRでは4dB、100G-LRでは6dBまで許容するかたちだ。
前回も書いたが、SMFの損失はおおむね0.3～0.4dB/kmだから、2kmで最大1dB弱、10kmだと3～4dBになる計算だ。4ないし6dBであれば、マージンとしては多すぎるように見えるかもしれないが、NRZならばともかく、PAM-4であることを考えれば、これでもギリギリといったあたりではないだろうか。
Eye Patternの開き具合の指標である「TDECQ/SECQ」は「100G-FR/LR」と「400GBASE-DR4」で同じ3.4dB
やや余談となるが、PAM-4の特性に関しては、400GBASE-DR4でも100G-FR/LRでも、TDECQ/SECQが3.4dBと規定されている。SECQ（Stressed Eye Closure for PAM4）というのは、理想状態（光ファイバーを付けない状態）でのEye Patternの開き具合を示しており、一方のTDECQ（Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4）は、実際のEye Patternの開き具合を示すパラメーターである。
SECQとTDECQが指標として使われた理由については、例えば\”TDECQ and SECQ vs Rx sensitivity: review of previous presentations and proposed changes\”などに細かい説明がある。出典は\”SECQ and its sensitivity to measurement bandwidth\”
上はP802.3cd Task Forceの議論の中で出てきたスライドであるが、SECQやTDECQというパラメーターは、Eye Patternの開き具合の指標として割と便利である、と経験的に判断されている。PAM-4では送信側でTDECQ、受信側でSECQを利用することで、Eyeがきちんと開いてPAM-4での信号伝達が可能になる、とされている。
TDECQ/SECQのパラメーターが400GBASE-DR4と3.4dBで同じというあたり、基本は400GBASE-DR4と同じながら、到達距離を延ばすために送信出力をやや引き上げるとともに受信感度を大幅に引き上げた、と考えるのがいいかと思う。
先にも少し触れたが、Specification自身は2018年の早い時期に確定していたので、そこからベンダーがモジュール製造にとりかかったはずなのに、実際に出荷され始めたのは2020年からだった。これは、100G PAM-4の実用化に、それなりの技術的な困難さがあり、乗り越えるのに時間を要したということだろう。
例えば、信号の電力が1mW程度、つまり0dBm程度のケースの波長では、最悪の場合は-6.4dBm（0.23mW）や-7.7dBm（0.17mW）へ、要するに振幅が上の図よりもさらにひと桁減るわけで、送信側はともかく、受信側はこのわずかな振幅から4レベルを判定する必要が出てくる。
もちろん、FECは掛けられるのが前提ではあるが、これを実用化するのは相当なチャレンジだ。受光素子そのものに加え、光の電気信号をデジタル量に変換する「ADC（Analog Digital Converter）」の解像度やサンプリング速度、ノイズ特性などの点で、かなりのチャレンジがあったものと想像される。
ところで、100G Lambda MSAはこの100G-FR/LRをベースに400Gの規格化も視野に入れていたし、さらに長距離伝達を可能にする規格も策定していた。次回はこのあたりをご紹介したい。 「10GBASE-T、ついに普及へ？」記事一覧【技術編1】【技術編2】【技術編3】10GBASE-Tの基本仕様とは？【歴史編1】【歴史編2】【歴史編3】10GBASE-Tの普及状況【実用編1】PCIe帯域幅とストレージ性能が落とし穴【実用編2】10GBASE-T/1000BASE-T混在時の問題はMTU【実用編3】Windowsで高速さを活かすには「RDMA」【実用編4】CAT5ケーブルのままで使える2.5G/5GBASE-T【実用編5】さらに高速化！ 25G/40GBASE-Tの普及は？#series-contents .current-page { font-weight: bold; }【アクセス回線10Gbpsへの道】記事一覧622Mbpsを32台のONUで分割、ATMがベースの「ITU G.983.1」仕様「Bフレッツ」（100Mbps）に採用された最大622Mbpsの「B-PON」IEEE 802.3ahとして標準化された1Gbpsの「GE-PON」2.488Gbpsの「G-PON」、B-PON後継のG.984.1/2/3/4として標準化「10G-EPON」で10Gbpsに到達、IEEE 802.3avとして標準化NURO光 10Gに採用された10Gbpsの「XG-PON」、「G.987」として標準化XG-PON後継、上りも10Gbpsの「XGS-PON」と「NG-PON2」25Gbpsの「NG-PON2+」、5G基地局向けバックボーン向け最大100Gbpsの「100G-EPON」、2020年に標準化完了【番外編】XG-PONを採用する「NURO 光 10G」インタビュー#series-contents .current-page { font-weight: bold; }
大原 雄介
フリーのテクニカルライター。CPUやメモリ、チップセットから通信関係、OS、データベース、医療関係まで得意分野は多岐に渡る。ホームページはhttp://www.yusuke-ohara.com/
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100Gbpsで10/20/40kmの到達距離を狙った「100G 4WDM-10/20/40」
SMF1対で最大100Gbpsの「100G LR1-20/ER1-30/ER1-40」と、4本束ねて400Gbpsの「400G-FR」
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関連リンク 100G Lambda MSA IEEE 802.3cd Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM4 500m 100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 1.0 100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 2.0 A New Generation of 100G Pluggable Optics Starts With QSFP28 100G FR and PAM4（Cisco Blogs） TDECQ and SECQ vs Rx sensitivity: review of previous presentations and proposed changes SECQ and its sensitivity to measurement bandwidth（Tektronix）
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