期待のネット新技術

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

【光Ethernetの歴史と発展】

 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、25/40GBASE-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

100Gを2つ束ねて200Gbpsの各製品、IEEEの200G規格は4つのみ

 今回からは400Gbpsの規格を紹介していく。「間の200Gbpsはないのか?」と聞かれそうなので探してみたものの、規格としては見つからなかった。

 製品としては、例えば中国GigaLightが「200GE QSFP-DD PSM8 2km/10km」などというモジュールを出している。ただし、これは実際には『「100GBASE-LR4」と「100GBASE-SR10」の間を埋める最大100Gbpsの「100G PSM4 MSA」』で紹介した「100G PSM4」の2回線分を1つのモジュールに収めただけのもので、結果として200G×1として使用できる製品だ。

 100G×2としても意外に使える上、その名称から新規格のように見えるが、単にPSM4を2本束ねただけであって、これをPSM8と表現するのはどうかと思う。

「100G PSM4」の2回線分を1つのモジュールに収めた「200GE QSFP-DD PSM8」。途中のケーブルは2対4本になる
こちらは分岐ケーブルを使う場合の「100G PSM4」の構成。出典は"200GE QSFP-DD PSM8 2km/10km"(YouTube)

 ちなみにGigaLightでは、ほかにも以下の多彩な製品群をリリースしている。

「200GE QSFP-DD SR8 100m」は要するに「100GBASE-SR4」を2つ並べただけだ。出典は200GE QSFP-DD SR8 100mのDatasheet

 このうち最初の「200GE QSFP-DD SR8 100m」の中身が右の図だ。要するに『最大100Gbpsで到達距離100mの「100GBASE-SR4」と40Gbpsで40kmの「40GBASE-ER4」』でも紹介した100Gbps Ethernetの「100GBASE-SR4」を2対並べ、QSFP-DDのモジュールへ押し込んだだけのものだ。そして、ほかの製品も全て同様だ。

 どうやらMSAにしても、100Gから200Gへの移行にはあまりインパクトがないようで、100Gの次は400Gというステップを踏んでいる。200Gbpsの規格は「IEEE 802.3cd-2018」で定まった「200GBASE-SR4」と、「200GBASE-FR4/LR4」、それと(詳細は説明しなかったが)「IEEE 802.3bs-2017」で策定された「200GBASE-DR4」あたりが主なもので、ほかにはそれこそ100Gレーンを2つ束ねた独自規格(というか、独自製品という方が正確かもしれない)がいくつかあるだけだ。

最大400Gbpsを2~10kmで実現する規格策定が目的の「CWDM8 MSA」

 ということで次は400G。まずは「CWDM8 MSA」を紹介したい。ちなみになぜか直近ではサイトが落ちているが、2020年12月25日付のInternet Archiveを見ると、MSAがなくなったというわけではなさそうだ。

 CWDM8 MSAの結成は2017年9月27日で、最初の創立メンバーはAccton、Barefoot Networks、Credo Semiconductor、Hisense、Innovium、Intel、MACOM、Mellanox、Neophotonics、Rockley Photonicsの10社であった。その後、AOI(Applied Optoelectronics, Inc.)、H3C、Keysight Technologies、NOKIAの4社が加盟して現在は14社となっている。

 その目的は、"短中期における2~10kmといったデータセンター~キャンパスネットワーク向けに、400Gbpsの転送速度を実現する規格を策定する"ことだ。実はこのMSA、こちらの記事でも紹介しているように「IEEE 802.3bs-2017」として標準化された、「400GBASE-LR8」への対抗規格である。

 400GBASE-LR8は8波長のWDMで、変調にはPAM-4を利用して1波長あたり50Gbps(つまり信号レートそのものは25Gで、PAM-4を使って50Gにする)という構成であるが、MSA立ち上げの際にIntelのRobert Blum氏(Director of Strategic Marketing & Business Development, Silicon Photonics Division)は「確かにIEEEの400GBASE-LR8モジュールは10kmの距離をCooled Laser Diodeを使って到達可能だ。しかしながらこの光学系は、QSFP-DDあるいはOSFPなどのフォームファクターに収めるのは難しい」と語っていた。

 2017年6月に開催された「OFC 2017」の会場で、Oclaro(現Lumentum)が行った100Gbpsで2~40kmまでの到達距離を実現できる5製品のデモで、400GBASE-LR8のモジュールのデモも行われた。

 ただ、このモジュールは巨大なCFP8で、供給電力も20Wと大きかった。これはレーザー出力もさることながら、50GでPAM-4を掛けるのはまだ消費電力の観点から時期尚早というのが、Blum氏の持論であった。

 同じくBlum氏によれば、わざわざPAM-4を使わずNRZのままでも50Gは実現できるし、PAM-4を利用したときよりLink Budgetが6dB余分に稼げ、しかもNon-cooled Laserが利用できるため、消費電力は12W以下に抑えられ、QSFP-DDなどのモジュールで利用可能であるという。

 実際Intelは、既にこのとき400Gモジュールのプロトタイプを製造していた。これは、8つのレーザー光源をワンチップで実現できるものだったらしい。片や50G PAM-4のモジュールを小型化するには、特に低消費電力の50G SerDesや、コンパクトなDSPが必要だが、Blum氏は当時、おそらく2018年末までにこれらは利用可能にはならないとの見通しを述べていた。

8×50G NRZの採用で低コストと低電力を実現する「CWDM8」

 さて、Specificationそのものは2017年11月にリリースされていたが、2018年3月に開催された「OCP(Open Compute Project) U.S. Summit 2018」において、CWDM8 MSA Project ChairだったIntelのScott Schube氏(Senior Director of Strategic Marketing & Business Development, Data Center Products)が示したスライド「400G CWDM8 Data Center Optics」が、MSAの目的というか、志向しているものを分かりやすく説明しているので紹介したい。

 まず「CWDM8」のメリットだが、ここまで説明してきた通り基本的なメリットはコストと消費電力であり、製品化も難しくない、という点も大きなポイントだ。ただ、以下左の最後にある"将来の800Gにつながる"という話については、難しい面はあろうが、400GBASE-DR4という前例もあるので不可能ではないことはある程度理解できる。実際にTest Bedでの信号波形を含むペナルティの算出結果が、以下右のスライドだ。

この時点の50G NRZを"Proven technology"と言われると、やや疑問だ
どうせなら8×50G PAM4との比較をして欲しかった気もする

 当たり前だが一番シンプルな分、8×50G NRZが一番ペナルティが少ない。つまり同じSNRなら長距離伝達が可能で、伝達距離が同じなら、より高いSNRを期待できることになる。この結果、Link Budgetも非常に少なく(わずか5dB)て済むことが、400G CWDM8の特徴となっている。

 ちなみに、CWDM8 MSAは400Gだけでなく800Gも視野に入れている。ただ、さすがに100G NRZは難しいと判断しており、この世代では100G PAM-4×8の構成を模索中だ。どうせWDMなのだから50G NRZ×16という選択肢もありそうな気がするが、資料を調べた限り、こうした組み合わせは検討されなかったようだ。

スライドにもあるが、Link Budget=Tx output-Rx sensitivityであり、これが少なければ、出力を無理に上げたり高感度の受光素子を用意する必要がなくなり、消費電力やコストの削減につながる
Scott Schube氏のスライド全てに「400G-FR4」、つまり100G PAM-4×4が含まれるのは、100G PAM-4×4の波長を倍増させたかたちとなることもあるのかもしれない
PAM-4の必要性はこちらでも書いた通りで、QSFP-DDで400Gbpsを通すために、ホスト側の信号を50G PAM-4にする必要があるためだ

 インターフェースまで考慮すれば、どこかで8:16あるいは16:8のGearboxを入れないとマッチングしないということもあるのだろう。さすがに16波ともなると、CWDMでは光ファイバーでのロスが少ない範囲を超えてしまうことも関係しているのかもしれない。

 既に2018年の時点で、Credoでは56G NRZと56G PAM-4のコンバーターのサンプル出荷を開始していた。また、AOIではCWDM8に対応したDML(Direct Modulated Laser)Driverの試作を行っており、さらにIntelは試作品まで発表していた。

FECの利用が前提なので、生のBERは2.0×10^-4程度あれば十分だ。これなら10kmの距離でも-11dBm程度の出力で足りるとする
ただ、今のところ製品そのものは100Gどまりで、400G対応の製品をIntelは出荷していない

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/