明日のデータセンターに向けて進化する光モジュール

光トランシーバはデータセンターで重要な役割を果たしており、ストリーミングビデオ、クラウドコンピューティングとストレージ、またはアプリケーションによる帯域幅の需要の高まりに応えるために、サーバーアクセスとスイッチ間の相互接続でますます高速化が必要となるため、その重要性は今後も高まり続けるでしょう。仮想化。 現在、大規模データセンターには通常、40G スイッチング ファブリックに接続する 10G アクセス ポートが備えられていますが、近い将来、アクセス ポートは 25G に、スイッチング ファブリックは 100G に増加します。 ここでは、光モジュールのデータセンター アプリケーションによってもたらされる課題を検討し、需要を満たすために業界がどのように対応しているかについて説明します。

冗長性の高い水平メッシュによって相互接続された 100,000 台のサーバーを収容する単一のメガ データ センターには、同様に多数の光リンクが必要です。 各リンクの両端は光トランシーバで終端する必要があるため、トランシーバの数は光リンクの数の少なくとも 2 倍になり、光ブレークアウト構成を使用するとさらに多くなる可能性があります。 このような大量のモジュールは、たとえこれらのモジュールが高速データ レートの最前線で動作するとしても、光トランシーバの低コスト ポイントを推進できます。 長い到達距離では 10 ドル/Gbps のオーダーから、短い到達距離では 1 ドル/Gbps までの価格設定がサプライヤーへの課題として提案されています。今日の価格設定が 5 倍から 10 倍高いことを考えると、これは明らかに野心的な目標です。異なるデータレートまたは異なるアプリケーションスペースで。

このオーダーのコスト削減は、モジュールの設計と製造に対する実証済みのアプローチをわずかに改良するだけでは達成することが困難です。 最大動作温度の低下、動作温度範囲の縮小、製品の使用寿命の短縮、前方誤り訂正 (FEC) の使用の許可などの緩和仕様は、モジュール ベンダーが導入できるため、モジュールのコスト削減に役立つ例です。より高いレベルの光学的統合、非密閉パッケージング、非冷却動作、または簡略化されたテストを備えた低コスト設計。

光モジュールの用途を決定する重要な要素はフォームファクターです。 今日のデータセンターは、サーバー アクセス用に SFP フォーム ファクタのトランシーバを中心に、スイッチ間の相互接続用に QSFP トランシーバを中心に統合されています。 通常、ダイレクト アタッチ銅線（DAC）ケーブルは、アクセス ポートまでの距離が 5 m 未満の場合に使用され、長距離の場合は光モジュールまたはアクティブ光ケーブル（AOC）が使用されます。 10G アクセス ポートは SFP+ モジュールを使用しますが、アクセス速度が 25G に増加すると、SFP28 に移行します。 サーバー アクセスには 100 m を超える距離は必要ないため、これらのモジュールは通常、マルチモード ファイバー (MMF) 上で動作する VCSEL ベースのトランシーバーに限定されます。 ただし、25G レーン周辺のエコシステムは、10 km ～ 40 km の範囲でシングル モード ファイバー (SMF) 上で動作する SFP28 モジュールの需要を促進する次世代エンタープライズ ネットワークなどのアプリケーションで活用されることも期待されています。

クラウド データセンターのネットワーク トポロジと、サーバー アクセスとスイッチング ファブリックのデータ レートの予想されるアップグレード パス。

QSFP モジュールは 4 つの電気入力レーンを受け入れ、対応する SFP モジュールの 4 倍のデータ レートで動作します。 現在、40G QSFP+ はデータセンターのスイッチング ファブリックに広く導入されています。 光インターフェイスには、パラレル シングル モード ファイバ (PSM) とコース波長分割多重 (CWDM) という、いくぶん競合する 2 つの方式が存在します。 PSM は 8 SMF リボン ケーブル上で動作し、各光レーンが二重ファイバ ペアを占有します。 PSM には、波長多重化が必要ないため、モジュールコストが低いという潜在的な利点がありますが、ケーブルとコネクタのコストが二重よりも大幅に高くなり、結果としてファイバプラントのコストが高くなります。

4 世代の 100G プラガブル クライアント側トランシーバー: CFP、CFP2、CFP4、および QSFP28 (左から右)。

CWDM は二重 SM ケーブル上で動作し、波長分割多重化を使用して 4 つのレーンを 1 つのファイバーに結合します。 ここで、光インタフェースの参考仕様として40GBASE-LR4イーサネット規格が存在する。 レーンは単一のファイバーストランド内を移動するため、CWDM リンクは全光スイッチングと互換性があり、データセンターのトラフィック管理と再構成に使用できます。 CWDM モジュールの課題は、光マルチプレクサやデマルチプレクサなどの追加コンポーネントが必要なため、通常 PSM よりもコストが高くなる点ですが、伝送距離を 10km (LR4) から 2km (MR4) に短縮することで大幅なコスト削減を実現できます。またはLR4-Lite）。

これは、ほぼすべてのリンク長が 2km 未満であるという、データセンターに関連する別の傾向を示しています。 このため、100G で動作する次世代 QSFP モジュール (QSFP28) の仕様は、SMF で 500m ～ 2km に到達することに重点が置かれています。 CWDM4 および CLR4 MSA は 40GBASE-LR4 と同じ波長グリッドに基づいていますが、容量が 100G (4x25G) に増加します。 あるいは、PSM4 MSA は、500m の PSM ケーブル配線上の 4x25G インターフェイスを指定します。 このような QSFP28 モジュールは、2016 年以降、データセンターのスイッチング ファブリックが 40G から 100G に移行するにつれて大量に導入される予定です。さらに、QSFP28-LR4 モジュールは、イーサネット準拠のインターフェイス (100GBASE-LR4) を必要とするデータセンターのスイッチとコア ルータのインターフェイスに必要になります。 ）。 この場合、40G と同様に、2km に最適化されたコスト削減バージョンの需要が高まることが予想されます。

データセンター スイッチの重要な指標は、フロント パネルの帯域幅です。これは、幅 19 インチ、高さ 1RU のスイッチング ハードウェアに収まるすべてのトランシーバの合計帯域幅です。ただし、エア フローを通じてモジュールを冷却する機能は、重要な制約の 1 つです。多くの場合、トランシーバへの電気接続の密度が制限要因になる可能性があります。その結果、一般的なスイッチは通常、フロント パネルで 32 個の QSFP ポートに対応できます。ポートが QSFP+ の場合、対応するフロント パネルの帯域幅は 1.28Tbps ( 32 x 40G)QSFP28 へのアップグレードにより、この帯域幅は 3.2Tbps に増加します。

QSFP28 以降のアップグレード パスについては、継続的な議論が行われています。 次世代のスイッチング ASIC は、50G のネイティブ ポート速度と 128 ポートを備え、6.4Tbps のネット スループットに相当すると予想されます。 40G および 100G によって設定された 4x のトレンドに従って、これは 200G QSFP モジュール (「QSFP56」) の必要性を意味します。 前面パネルに 32 個の QSFP56 ポートがあると、前面パネルの帯域幅は 6.4Tbps になります。 ただし、このパスの問題点は、200G イーサネット標準が存在しないことです。 その必要性についての議論は最近始まったが、規格の完成はすでに進行中の 400G イーサネットよりも遅れるだろう。

400G ポートが想定されている場合、6.4Tbps のフロント パネル帯域幅への代替パスは、ポート数を減らし、光モジュールを大きくすることです。 第 1 世代 400G モジュールでは、QSFP よりも大きいモジュールがすでに予想されています。モジュールは、QSFP に定義されている 4 レーンを超える 16 x 25G または 8 x 50G 電気入力レーンに対応する必要があるためです。 さらに、QSFP モジュールの 3.5W の電力制限を満たすことは、一部の 400G 実装では実現不可能と思われます。 2km 二重シングルモード ファイバ規格 400GBASE-FR8 は、50G PAM4 によって変調された 8 つの多重波長で仕様化されています。 これは QSFP28-CWDM4 モジュールの光レーン数の 2 倍であり、既に 3.5W の制限に近づいています。 400G のより大きなフォームファクタに関する提案は、CFP、CFP2、および CFP4 で 100G で大きな成功を収めている CFP MSA などのグループから期待されます。 この場合の重要な要件は、フロント パネルに少なくとも 16 個のポート (16 x 400G = 6.4T、場合によってはそれ以上) を許容できるサイズであることです。

QSFP サイズを維持することが重要な場合、現在開発中の適切な 400G 規格は 400GBASE-DR4 のみです。これは、500m の PSM4 ケーブル上で動作する 4 つの光 100G PAM4 チャネルを指定します。 さらに、二重 SM ファイバーを介した 4 波長 100G PAM4 実装が将来定義される予定です。 QSFP28-CWDM4 モジュールで実証されていることに基づくと、必要な波長が 4 つだけであるため、QSFP の電力制限を満たす可能性が高くなります。 ただし、4 x 100G 電気インターフェイス (「CDAUI-4」) も利用可能にならない限り、電気入力レーンの数は少なくとも 8 に増やす必要があります。これには新しいモジュール定義が必要であり、現在さまざまなソリューションが検討されています。 その中には、プラグ可能モジュールを超えて、オンボード光学系 (OBO) に基づく新しいパラダイムへの移行も含まれています。 OBO モジュールには、光学系を ASIC に近づけるという利点があり、リタイマーを排除することで信号の完全性を向上させ、電力を削減できます。 Consortium for On-Board Optics (COBO) は、このようなソリューションの開発を加速するために最近設立され、少なくとも 1 つの大規模なデータセンター プロバイダーの支援を受けています。 microQSFP MSA によって提案されたソリューションなど、他のソリューションも検討されています。microQSFP MSA は、SFP と同様のサイズで QSFP の機能を実現し、7.2Tbps のフロント パネル帯域幅を実現することを目的としています。

100G オンボード光学系用の 4x25G レンズ一体型面発光レーザー (LISEL) アレイの例。

光モジュールは、大規模データセンターのスイッチング ファブリックを構築するための鍵となります。 40G から 100G への移行は差し迫っており、進化の次の段階に向けて考えられる道筋がいくつか存在しており、おそらく 200G または 400G 相互接続をベースにすることになるでしょう。 新しい光モジュールのコンセプトが必要となり、光モジュールのベンダーはネットワーク機器メーカーやデータセンター運営者と緊密に連携して、ギガビットあたりのコストと電力に関する将来のデータセンター要件を満たすソリューションの開発を確実に行う必要があります。

執筆者：Oclaro Japan エンジニアリング＆マーケティング部 ディレクター 田村 耕一