大原雄介のエレ・組み込みプレイバック

夢物語から実現に近づいてきた光インターコネクト（1/4 ページ）

エレクトロニクス／組み込み業界の動向をウオッチする連載。今回は8月に開催されたイベントで語られた光インターコネクト関係の話にフォーカスする。

公開 2022年09月16日 09時01分

[TechFactory]

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2022年8月に開催されたイベント「Hot Chips 34」と「Hot Interconnects 29」の両方で取り上げられた話題に光インターコネクト関係の話がある。光インターコネクトそのものは以前から将来の配線技術としていろいろ研究がなされてきたものの、銅配線が意外に延命しているというか、もう50GHzの電気配線は現実的になってきており、ここに来て100Gが視野に入りつつある。しかも単純なNRZ（Non-Return-to-Zero：2値の信号で、1回の転送で1bitを伝達する）だけでなくPAM-4（Pulse Amplitude Modulation-4：値を0～3の4値にすることで、1回の転送で2bitを伝達する）も次第に普及し始めている。この結果として200Gbps/Laneは既に銅配線で可能な事が視野に入りつつある。

　ただ「視野に入る」と「普通に使える」は全然別の話であって、実際にはこの200Gbps（というか、100GT/secというか）の取り扱いには結構苦慮している。この100GT/sec、あるいは200Gbpsという信号を最初に取り扱う分野は光イーサネットである。現在光イーサネットは50Gbps/Laneは既に普及期に入っており、100Gbps/Laneもこれから立ち上がろうとしている。この100Gbps/Laneというのは、光ファイバーが1対なら100GbE、2対で200GbE、4対で400GbEという具合だ。規格的には8対で800GbEというものも現在策定中であるが、流石に8対の光ファイバーだと高コストになるので、何とか4対でカバーする方向になっている。これに続き、200Gbps/Laneを狙う事で2対で400GbE、4対で800GbEを狙う規格も現在作業に入っている。これに関してはIEEEよりもむしろMSA（Multi-Source Agreement：特定の企業にって構成された団体による独自規格）の方が先行しているが、こうした光イーサネットの規格策定の中で、電気信号の速度が問題になってきている訳だ。

　どこら辺が問題か？というと、光信号と電気信号の変換部である。例えば100Gbps×4Laneの400GbEの場合、光信号はレーン当たり100Gbpsということになる。なのでトランシーバに接続する電気信号の方も100Gbpsで送ってきてくれれば、そのまま1：1変換を行うだけで済むが、100Gbpsの取り回しは結構面倒である。そこで電気信号は50Gbpsにとどめ、トランシーバ内部で50Gbps×2レーンを100Gbps×1レーンに変換するモジュール（これをGearBoxと呼ぶ）を挟めばいいのだが、今度は配線数が2倍になるし、GearBoxをトランシーバ内部に入れる事で実装面積の増大と消費電力の増加、さらにはコストの増大につながるというデメリットがある。

　特にこれが問題になるのは、Network Switchである。例えば図1はBroadcomのTomahawk 3を搭載した32port×400GbE Switchの内部構造を示したものである。

図1　これそのものは19inchラック、つまり幅482.6mmの規格なので、直線でつないでも20cm強、実際には30cmほど引き回す必要がある

　手前にはQSFP56-DDのモジュールが32個並んでおり、その奥のちょっと大きめのチップがTomahawk 3であるが、このTomahawk 3のすぐ下に配されているQSFP56モジュールには、せいぜい2～3cm程度の電気配線で到達するが、両端のQSFP56-DDモジュールには30cmあまりの配線を引き回す必要があることが分かる。QSFP56-DDは50Gbps×8の構成なので、つまりモジュール1つ当たり32本（Differentialで、しかも上り下りで別の配線になるため）の配線が必要で、これが32ポートだから1024本の信号がTomahawk 3から出ている事になる。この構成の場合、電気信号は25GT/secのPAM-4変調だからまだ取り回しが楽だが、この先50GT/secとか100GT/secになると、そもそも配線そのものが難しくなるし、ノイズなどの影響も受けやすい。消費電力も馬鹿にならないなど問題が山積みである。

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