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×8での送受信はOK、200G×8の1.6Tや、200G×4の800Gには問題が山積み
前回に続いて、「IEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet Study Group」の動向を見ていこう。1月のミーティングにおいて、200Gの光では、2km以内なら800Gは堅いとしつつ、1.6Tが\”Uncertain\”となっている。
これは、「とりあえず」100G×8構成を取れば、800Gは確実にDirect Detection、つまりNRZなりPAM変調なりで送受信できる一方で、200G×8の1.6T（または200G×4の800G）に関しては、そもそもDirect Detectionができるかどうかも現時点では怪しい、としているわけだ。
基本的にはDirect Detect→コヒーレントの方向性を志向している。出典は\”Thoughts on the Beyond 400 GbE Study Group\”。先週のCFI Consensus Presentationと同じタイトルだが、そちらはCiscoのMark Nowell氏とJuniperのDave Ofeltによる
コヒーレントは、到達距離が10km以上になるとますます増えており、1.6Tや200G×4の800Gでは、ひょっとするとコヒーレントで通信することになるかも、とStudy Groupも半ば覚悟をしはじめているように見える。
コヒーレント光を使った通信は400ZRで採用されている。『位相変調した光信号を復号するコヒーレント光と、波長分離多重「DWDM」を併用する「400ZR」』で簡単に説明したように、性能面でのヘッドルームは十分あるものの、送受信モジュールが高コストになる点が大きな問題となる。
このコストを、現在のVCSELベースの光モジュール並みに下げられれば、一気にコヒーレントへ雪崩を打って移行するのだろうが、全くそれどころではなく、まだ桁が違うレベルというあたりが難しいところだ。それも歯切れが悪い表現につながっている。
100G×8の800Gが\”標準化されていないことは問題とはならず、ニーズがあればすぐに行ける\”とされるが、200G×4の800Gは\”ビルディングブロックの基礎となり得るので関心は高い\”との一方で問題点も山ほど列挙されている
PAM6では1回の転送が2.5bit相当に
この状況は2月になっても変わらず、いくつかプレゼンテーションは示されたものの、本質的にはここまで説明してきた内容の繰り返しに終始した。これが多少変わったのは、オンラインで合計4回開催された3月のミーティングである。トータルで16ものプレゼンテーションが公開されたうち、いくつかの興味あるものが示されたので紹介しよう。
まずはGoogleのCedric Lam/Xiang zhou/Hong Liu氏による\”200G per Lane for beyond 400GbE\”。前半は100G×8ではなく200G×4の構成の必要性をマーケットデータから説明する内容であるが、後半は\”200G Optical Lane Technical Feasibilities\”として、実際に200GのOpticalが可能なのか、その技術的な妥当性が検証されている。
以下の表は100Gと200Gのレーンの違いで、PAM4を維持したまま200Gへ引き上げるとどうなるかを示したものだ。FECとDSPに余分な電力が必要になり、到達距離は1km未満になるとしている。
IM-DDは\”Intensity Modulation-Direct Detection\”の意味で、要するに変調結果を信号強度として出力し、これをそのまま受信する方式。出典は\”200G per Lane for beyond 400GbE\”
その上で、PAM4と、6値の変調で信号を6段階に変化させるPAM6を比較したのが以下だ。1回の転送では2bit（2.58bit）相当にしかならないが、2回の転送なら6^2＝36なので5bit（5.17bit）相当になる。つまり3回であれば7bit（7.75bit）、4回なら10bit（10.34bit）…と、何回かの転送をまとめて処理すれば、転送回数のおよそ2.5倍のデータを転送でき、おおむね1回の転送が2.5bit相当となる仕組みだ。
\”もしPAM6が消費電力を低く抑えられれば、PAM4とPAM6の使い分けも可能\”とあるが、これはさすがに、捕らぬ狸の皮算用の気がする
これによるメリットは、転送レートそのものを減らせることになる。上の表でも、Baud rateはPAM4の113Gbaudに対し、PAM6は90Gbaudと、25％ほど下がることになる。PAM4をPAM6とすると、マージンが減る分、50～55GHz BWでのSensitivity Penaltyはむしろ増えているが、その一方で45GHzであれば、マージン減少によるペナルティよりも、転送レートを減らすことによるマージン増加が上回るようで、PAM4に比べて1.6dBも改善する計算となっている。
PAM4/PAM6で200Gを送受信できるのは1ベンダーの試作品のみ
今後2年間の特性改良で3ベンダーに？
Googleは実際に、送受信に利用するコンポーネントに関し、3～5のベンダーから見積もりを取り、その結果をまとめている。比較対象は以下の6項目だ。 InP EML（Indium Phosphide Electro-absorption Modulator Laser）
リン化インジウム利用の電界吸収型変調器レーザーInP EMLドライバー
InP EML素子のドライバーSiPh-MZM（Silicon Photonics Mach-Zehnder Modulators）
シリコンフォトニクス利用のマッハツェンダー型変調器SiPh-MZMドライバー
SiPh-MZM素子のドライバーPD+TIA（Photo Detector+Transimpedance Amplifiers）
光受光素子＋フォトダイオード電流を電圧に変換するコンバーターCMOS DAC and ADC
送信側の光源として、「InP EML」と「SiPh-MZM」の2つが並んでいるのは、現時点ではまだどちらをできるか見極められていないためだろう。各項目で要求は異なるものの、その結果をまとめたのが以下の表だ。
太字は既に実現しているか、確実に実現できる数字と考えられる
表を分かりやすくまとめてみたのが以下となる。
| 現時点でプロトタイプが条件を満たすベンダー数 | 2年後に要求を満たしそうなベンダー数 | |
| InP EML | 1 | 2 |
| InP EMLドライバー | 1 | 3 |
| SiPh-MZM | 1 | 2 |
| SiPh-MZMドライバー | 3 | 4 |
| PD+TIA | 1 | 3 |
| CMOS DAC and ADC | 3（5nm）※
※3nmは消費電力の観点では要求を満たすが、速度性能は未判断 ▲ 800Gの本命「IEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet」、100/200Gの信号で800G/1.6Tを実現 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 関連リンク IEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet Study Group 200G per Lane for beyond 400Gb Optical PMD Considerations for 200G Lanes II-VI 関連記事 連載 連載 連載 連載 
投稿者 Akibano |