PAM4 と シリコン フォトニクスが 800G テクノロジーを形作る方法

800Gテクノロジーより高いレーン レート、より高密度の光モジュール、進化するインターフェイス標準を通じて、イーサネット トラフィックを 800 ギガビット/秒で移動するように設計された高速ネットワーキング システムを指します。PAM4変調シンボルごとに伝送されるデータが増加しますが、シリコンフォトニクス高密度光トランシーバーの統合と製造性が向上します。

800G の背後にあるエンジニアリング上の問題は、単に「光学系の高速化」ではありません。これは、電気、光学、パッケージング、および規格が組み合わさった問題です。スイッチ ASIC の容量が増えると、フロント パネル ポートあたりの帯域幅がより多く必要になります。ポート密度が高くなると、光モジュールのサイズ、電力、熱設計に対するプレッシャーが高まります。レーン レートが高くなると、より慎重な信号の完全性、より強力なエラー修正、より統合された光学アーキテクチャが必要になります。

IEEE標準802.3df-2024400 Gb/s および 800 Gb/s イーサネットの修正が完了しました。 400 Gb/s および 800 Gb/s の動作をサポートするために必要な MAC パラメータ、物理層、管理パラメータについて説明します。

800G の背後にある 2 つのエンジニアリング層: シグナリングと光統合

PAM4 とシリコン フォトニクスは、同じスケーリング問題の異なる部分を解決します。

PAM4 はシグナリング層で動作します。これにより、チャネルはシンボルごとにより多くの情報を伝送できるようになり、より高いボー レートだけに依存することなく、実効データ レートを向上させることができます。シリコンフォトニクスは光統合層で機能します。これにより、フォトニックコンポーネントと高速トランシーバー機能をシリコンベースのプラットフォームに統合できます。これは、モジュールがより多くのチャネルとより複雑な光機能に移行するにつれて、ますます重要になります。

実際には、800G は両方に依存します。 PAM4 はレーン効率を向上させ、シリコン フォトニクスは高速シグナリングを高密度で製造可能な光モジュールに変えるのに役立ちます。

PAM4 (4 レベル パルス振幅変調) は、800G 光モジュールを実現する中心的なテクノロジーの 1 つです。以前の世代では、NRZ、つまりノンリターンツーゼロ変調が一般的に使用されていました。 NRZ は 2 つの信号レベルを使用するため、各シンボルは 1 ビット (0 または 1) を表します。PAM4 は 4 つの信号レベルを使用するため、各シンボルは 2 ビット (00、01、11、または 10) を表します。

この違いが、PAM4 が役立つ主な理由です。 PAM4 は、シンボルあたり 2 ビットをエンコードすることにより、シンボル レートを 2 倍にすることなく、単一チャネルの実効データ レートを 2 倍にすることができます。高速光リンクの場合、これはボーレートだけをスケールするよりも現実的な方法です。

PAM4 対 NRZ: 信号レベル、シンボルあたりのビット数、およびノイズ感度

PAM4 の利点は、エンジニアリング上の主要な課題も生み出します。 4 つのレベルが利用可能な信号振幅範囲に収まる必要があるため、レベル間の間隔は NRZ よりも小さくなります。決定マージンが小さくなると、リンクはノイズ、歪み、チャネル障害の影響を受けやすくなります。

このため、PAM4 を単なる速度アップグレードとして扱うことはできません。これは帯域幅効率とのトレードオフであり、シンボルあたりのデータは増加しますが、レベルあたりのノイズ マージンは減少します。

PAM4 と NRZ 信号レベルの比較

PAM4 リンクに FEC とイコライゼーションが不可欠になる理由

PAM4 は信号決定マージンが狭いため、高速 PAM4 リンクはより多くの信号に依存します。FECそしてイコライゼーション。 FEC は送信後のエラーを修正するのに役立ち、イコライゼーションはチャネル関連の信号歪みを補償するのに役立ちます。

低速では、これらのテクニックはそれほど必要とされない場合があります。 50G、100G、特にレーンあたり 200G の開発段階では、これらは信頼性の高い動作のための実用的なエンジニアリング基盤の一部になります。

800G への移行は一度に起こったわけではありません。これはレーン速度のロードマップに従いました。まず 50G PAM4 が成熟し、次に 100G PAM4 がより効率的な 100GE と 400GE を可能にし、200G PAM4 が高速モジュールの光の複雑さを軽減するための次のパスになりました。

800G に向けた 50G、100G、200G PAM4 ロードマップ

50G PAM4 および初期の 200GE / 400G 導入フェーズ

PAM4 実装は最初に 50Gbps チャネルをターゲットにしていました。これは、チャネルごとのデータ レートを向上させるより効率的な方法を提供したため、同時に開発されていた 50 Gbps NRZ アプローチをすぐに置き換えました。

最大ビット レート 56 Gbps の 50G PAM4 は成熟し、さまざまなスイッチやルーターの ASIC および光モジュールからのサポートを得ました。これにより、QSFP-DD および OSFP フォーム ファクターを使用した最初の大容量 400G クライアント光モジュールが可能になりました。また、QSFP56 光モジュールを使用したデータセンターでの 200GE の導入もサポートしました。

この段階は、PAM4 が単に実験室用のシグナル伝達技術ではないことを証明したため、重要です。これは、実際のデータセンター相互接続に導入可能なアーキテクチャになりました。

単一波長 100GE および 4 波長 400GE 用の 100G PAM4

100G PAM4 は次の大きなステップです。 1 つの波長を使用して、よりコスト効率の高い 100GE の実装が可能になり、4 つの波長を使用してシングルモード ファイバで 400GE をサポートします。

この段階は 800G ポートの成長と密接に関係しています。 100G PAM4 インターフェイスを備えた 25.6T スイッチおよびルーターが導入されるにつれ、システムは高速の電気レーンと光レーンをより効率的に集約できるため、800G ポートがより実用的になります。

簡単に言えば、100G PAM4 により、8 つの 100G チャネルで 800G を構築しやすくなります。これにより、より成熟した技術ベース内で設計を維持しながら、過剰なチャネル数の必要性が減ります。

200G PAM4 波長とより複雑性の低い 800G モジュールへのパス

次の開発段階は、波長ごとまたはレーンごとに 200G PAM4 です。 200G PAM4 アプローチでは、同じ総データ レートに到達するために必要なレーンまたは波長が少なくなる可能性があるため、将来のモジュールの光学的複雑さを軽減できます。これにより、光コンポーネントの数を減らし、パッケージを簡素化し、より高いスイッチとルータのシステム容量をサポートできます。

IEEE P802.3djは、200 Gb/s、400 Gb/s、800 Gb/s、および 1.6 Tb/s イーサネット目標に取り組むアクティブなタスクフォースです。採用された目標には、200 Gb/s MAC データ レートのサポート、オプションのシングル レーン 200 Gb/s チップ対モジュールおよびチップ対チップ接続ユニット インターフェイス、および 4 レーン接続ユニット インターフェイスと複数の銅線、バックプレーン、および SMF 到達ターゲットを使用した 800 Gb/s 目標が含まれます。

レーンあたり 200G の開発は、次のイーサネットおよび光モジュールのスケーリング段階の中心となりますが、より成熟した 50G PAM4 および 100G PAM4 段階とは依然として異なる扱いを受ける必要があります。

光モジュールの進化はスイッチ ASIC の能力に続きます。 ASIC の容量が増加すると、システムはフェイスプレートでのより多くの帯域幅、より効率的な電気レーン、およびより高密度の光相互接続を必要とします。これが、800G オプティクスがトランシーバー技術だけではなく、スイッチ シリコンの世代と結びついている理由です。

6.4T から 204.8T まで: 容量スケーリングと車線速度圧力

以下にまとめたスイッチ ASIC ロードマップは、容量スケーリングとレーン速度のプレッシャーの方向性を示しています。

スイッチ ASIC 容量スケーリングと 800G 光圧圧力

ロードマップは、正確な製品リリース表としてではなく、容量拡張の傾向として読まれる必要があります。以前の 6.4T および 12.8T 容量ノードと比較して、後の 51.2T および 102.4T 世代では、レーン速度、フェイスプレート密度、および光統合に大きな圧力がかかります。

ここで、PAM4、シリコン フォトニクス、および共同パッケージ化された光学部品がつながり始めます。 PAM4 は各レーンの効率を高めます。シリコンフォトニクスは、より多くの光学機能をコンパクトなモジュールに統合するのに役立ちます。電気的距離、帯域幅密度、電力の管理が難しくなった場合、光学部品を同時パッケージ化することで、光学エンジンをスイッチ ASIC に近づけることができます。

シリコンフォトニクスフォトニックコンポーネントと高速トランシーバー機能をシリコン基板上に統合します。すでに 100G および 400G 光モジュールで広く使用されており、モジュール設計が高密度になるにつれてその価値は高まります。

高密度800G光モジュール向けのシリコンフォトニクス統合

モジュールに多くのチャネルがあると光学的複雑さが急速に増大するため、800G ではシリコン フォトニクスが重要になります。高密度の光モジュールには、複数の変調器、光検出器、導波路、結合インターフェース、および高速電気接続が必要な場合があります。これらの機能をシリコンベースのプラットフォームにさらに統合すると、組み立てが簡素化され、製造の拡張性が向上します。

シリコンベースの統合とウェーハスケールの製造

シリコン フォトニクスの利点の 1 つは、大容量フォトニクス システムに標準のウェーハ製造インフラストラクチャを使用できることです。これは、光モジュールが単なる半導体チップになることを意味するものではありません。フォトニック回路への光の結合、光回路からの光の結合、モジュールのパッケージング、熱の管理、光学性能の維持は、依然として難しいエンジニアリング上の問題です。

その価値は、より多くの光学機能を制御されたシリコンベースのプラットフォームに組み込めることです。高密度 800G 光トランシーバーの場合、個別の光アライメントやコンポーネントごとの構造に大きく依存する設計と比較して、組み立ての複雑さを軽減できます。

なぜ高チャネル数のコヒーレントモジュールがシリコンフォトニクスから恩恵を受けるのか

シリコン フォトニクスは、8 チャネル以上の光モジュールや、より複雑な光機能を備えたコヒーレント モジュールにとって特に重要です。チャネル数が増えると、パッケージング、ファイバー結合、信号ルーティング、熱、およびテストの複雑さが増加します。コヒーレント光学系では、変調、検出、光学性能制御に関する要件がさらに追加されます。

800G の場合、これはシリコン フォトニクスが単なる製造上の優先事項ではないことを意味します。これは、高密度光モジュールを物理的かつ経済的に実用化するための技術的パスの一部になります。

スイッチ ASIC の容量が増加するにつれて、フロントパネルのプラガブル光学部品はより大きなプレッシャーに直面しています。より多くのポートを限られたパネル スペースに適合させる必要があり、ASIC と光モジュールの間をより高速な電気レーン速度で伝送する必要があります。ある時点で、スイッチング シリコンとフロント パネルの光学系の間の電気経路が、電力と信号の整合性の問題の大きな部分を占めるようになります。

ここが同時パッケージ化された光学部品議論に入ります。

フォトニクスをスイッチ ASIC に近づける

同時パッケージ化されたオプティクスでは、光通信デバイスまたは電気通信デバイスがホスト ASIC と同じ第 1 レベルの基板上に配置されます。のOIF 共同パッケージ化フレームワーク光エンジンをホスト ASIC の近くに配置すると、高速電気チャネルの損失とインピーダンスの不連続性が軽減され、より高速かつ低電力のオフチップ I/O ドライバが可能になると説明しています。

このアーキテクチャは、標準的なプラグ可能光学系とは異なります。高速電気信号をボード全体でフロント パネル モジュールに送信する代わりに、光学エンジンをスイッチ ASIC にさらに近づけます。これにより、電気チャネルの損失が軽減され、帯域幅密度と電力の課題に対処できます。

プラガブル オプティクス vs 同時パッケージ化オプティクス

フロントパネルのプラガブル光学部品が高密度の圧力に直面する理由

フロントパネルのプラグ可能モジュールは、多くのネットワーク アーキテクチャにおいて引き続き重要ですが、同時にパッケージ化された光学部品は、電気損失、電力、帯域幅密度がより制限される条件に対応するオプションとして理解される必要があります。

102.4T 以上では、この圧力がより顕著になります。技術的な方向性は明確です。スイッチの容量が増大し、シリアル インターフェイスがより速く進化するにつれて、より深い光統合がより重要になります。 OIF には次のものもリストされています。3.2Tb/s 同時パッケージ化モジュールの導入契約、共同パッケージ化が広い概念を超えて正式な相互運用性の作業に移行したことを示しています。

800G イーサネットは単一の実装パスではありません。これには、さまざまなレーン レート、メディア タイプ、インターフェイスの目的が関係します。 2 つの重要な IEEE プロジェクトは、IEEE 802.3df と IEEE P802.3dj です。

IEEE 802.3dfは、現在 IEEE Std 802.3df-2024 となっている 400 Gb/s および 800 Gb/s イーサネット作業に焦点を当てています。IEEE P802.3dj200 Gb/s、400 Gb/s、800 Gb/s、および 1.6 Tb/s イーサネットに関する次の目標に取り組みます。

IEEE 802.3df の 100G レーン目標

100G レーン パスは、800GE に 8 つの 100G チャネルを介した実用的な実装ルートを提供するため、重要です。このアプローチは 100G PAM4 の成熟度に合わせており、レーンあたり 200G のすべての要素が成熟するのを待つことなく、短期的な 800G の展開をサポートします。

当初の 800G 標準化の方向性には、8 つの 100G チャネルまたは 4 つの 200G チャネルを使用する 800 ギガビット イーサネット、8 つの 200G チャネルを使用する 1.6 テラビット イーサネット、1 つの 200G チャネルを使用する 200Gb イーサネット、および 2 つの 200G チャネルを使用する 400Gb イーサネットが含まれていました。

IEEE P802.3dj の 200G レーン目標

IEEE P802.3dj では、レーンあたり 200G の開発が中心となります。採用された目標には、200 Gb/s、400 Gb/s、800 Gb/s、および 1.6 Tb/s MAC データ レートのサポート、およびチップ対モジュールおよびチップ対チップ接続ユニット インターフェイスが含まれます。 800 Gb/秒の動作の場合、IEEE P802.3dj 採用目標4 レーンの電気および銅線オプション、SMF ペア オプション、ターゲットに応じて最大 10 km、20 km、および 40 km までの波長ベースの SMF オプションが含まれます。

これは、リストされたすべての目標が単一のモジュール タイプまたは完全に成熟した商用実装に対応することを意味するものではありません。これは、標準化作業が 200G レーン時代に必要な技術的パスを定義していることを意味します。

サポートされているメディア: SMF、MMF、Copper Twinax、およびチップ対モジュール インターフェイス

800G の標準化は光ファイバー以外にも適用されます。仕様範囲には、シングルモード ファイバ、マルチモード ファイバ、銅線 Twinax ケーブル、チップとモジュール間の電気インターフェイスが含まれます。この幅が重要なのは、800G がさまざまな物理的距離とシステム アーキテクチャにわたって使用されるためです。つまり、機器内部、チップとモジュール間、短い銅線接続、データセンターの光リンク、さらに長距離のコヒーレント アプリケーションなどです。

IEEE イーサネット標準は、主要なイーサネット インターフェイスと物理層の目的を定義します。 OIF の作業は、コヒーレント光実装間の相互運用性が不可欠なコヒーレント 800G 回線インターフェイスにとって特に重要です。

OIF には両方がリストされていますOIF-800ZR-01.0そしてOIF-800LR-01.0800G の一貫した実装契約として。

800G 規格とコヒーレント リーチ マップ

800ZR 80 ～ 120 km の増幅されたシングルスパン WDM リンク用

OIF-800ZRは、単一スパン、増幅型、80 ～ 120 km、ポイントツーポイント DWDM ノイズ制限リンク用の単一波長 800G コヒーレント ライン インターフェイスとフレーム フォーマットを定義します。最小 100GE から最大 800G の総帯域幅までのイーサネット クライアントをサポートします。

実際的な重要性は明らかです。800ZR は、一貫したアップグレード パスを 400ZR から 800G に拡張します。これは、すべての 800G 光ファイバーの総称ではありません。これは、特定の増幅された WDM 到達クラス用に定義されたコヒーレント ライン インターフェイスです。

10 km および 40 km アプリケーション向けの固定波長およびコヒーレント インターフェイス オプション

OIF-800LR最大 10 km の単一スパン、非増幅、ポイントツーポイント固定波長リンク用の単一波長 800G コヒーレント ライン インターフェイスを定義します。

IEEE P802.3dj には、単一の SMF で各方向に最大 40 km までの長さの 800 Gb/s 対物レンズも含まれています。

これらの取り組みを総合すると、800G が短距離クライアントの光ファイバーに限定されないことがわかります。これは、フロントパネルのクライアント モジュール、キャンパス リンク、DCI スタイルのリンク、およびコヒーレントなトランスポート指向のアプリケーションに及びます。

800G 設計は一連のトレードオフです。 PAM4 は帯域幅効率を高めますが、ノイズ マージンを減少させます。シリコン フォトニクスは統合を改善しますが、パッケージング、結合、および熱に関する課題は依然として残ります。光学部品を一緒にパッケージ化すると、電気経路の制限が軽減されますが、システム アーキテクチャが変わります。コヒーレント光学系は到達範囲を拡張できますが、光インターフェースの複雑さも増大します。

帯域幅密度と信号の堅牢性

PAM4 は、シンボルごとに 2 ビットを伝送することで帯域幅密度を向上させます。これが、50G、100G、200G レーン開発の中心となった理由です。

トレードオフは信号の堅牢性です。 2 レベルではなく 4 レベルになると、各レベルのマージンが少なくなります。このため、特にレーン速度が増加するにつれて、FEC とイコライゼーションがリンク設計の重要な部分になります。

光学的な複雑さとモジュールのコスト

同じ総帯域幅に到達するために必要な光レーンまたは波長が少なくて済むため、波長あたりの速度が高くなると、光学的な複雑さが軽減されます。これが、200G PAM4 波長が将来の 800G および 1.6T システムにとって重要である理由です。

シリコンフォトニクスは、統合側から同じ方向をサポートします。より多くのフォトニック機能をシリコンベースのプラットフォームに組み込むことにより、モジュール設計者は、高密度光トランシーバーにおける個別の光アセンブリの負担を軽減できます。

プラガブル オプティクス vs 同時パッケージ化オプティクス

プラガブル光学系は、多くのネットワーク設計において依然として高い関連性を持っています。 ASIC と光モジュール間の電気チャネルの電力、損失、密度のコストが高すぎる場合、光学部品の同時パッケージ化の重要性が高まります。

おそらく将来は、あるアーキテクチャを別のアーキテクチャに単純に置き換えることではありません。ネットワーク層やスイッチの世代が異なれば、帯域幅密度、熱設計、リンク到達範囲、コストに応じて、異なる光アーキテクチャが使用される場合があります。

PAM4 とシリコン フォトニクスは、さまざまな方向から 800G を形成します。 PAM4 は、各シンボルによって伝送されるデータ量を増やし、より高いレーン レートを実用化します。シリコン フォトニクスは光の統合を高め、高密度の光モジュールの拡張に役立ちます。 IEEE と OIF の標準化作業により、これらのテクノロジーが相互運用可能な実装パスに変わります。

50G PAM4 から 100G PAM4、そしてレーンあたり 200G システムへの進化は、ネットワーク スケーリングの方向性を示しています。各ステップにより、より高い総帯域幅に到達する負担が軽減されます。各ステップでは、シグナルインテグリティ、パッケージング、電力、テストという新たな課題も生じます。

800G ネットワークの場合、最も重要な結論は、1 つのテクノロジーが「勝つ」ということではありません。本当の傾向は収束です。 PAM4、FEC、イコライゼーション、シリコン フォトニクス、コヒーレント光、スイッチ ASIC スケーリング、および共同パッケージ化されたアーキテクチャはすべて、同じエンジニアリング システムの一部になります。

PAM4 は 800G テクノロジーにおいてどのような役割を果たしますか?

PAM4 では、各シンボルが 1 ビットではなく 2 ビットを伝送できます。これにより、NRZ と比較してシンボルあたりの実効データ レートが 2 倍になり、800G システムがより高いボー レートだけに依存することなくより高い帯域幅に到達できるようになります。

PAM4 に FEC とイコライゼーションが必要なのはなぜですか?

PAM4 は 4 つの信号レベルを使用するため、隣接するレベル間の間隔は NRZ よりも小さくなります。これにより、ノイズに対する感度が向上します。 FEC は伝送エラーの修正に役立ち、イコライゼーションはチャネルの歪みを補償し、信号の堅牢性を向上させます。

シリコンフォトニクスは800G光モジュールにどのように役立ちますか?

シリコンフォトニクスは、シリコンプラットフォーム上にフォトニックコンポーネントと高速トランシーバー機能を統合します。これは、チャネル数が増え、光機能がコヒーレントになると、パッケージング、結合、製造の複雑さが増すため、高密度の 800G 光モジュールに役立ちます。

IEEE 802.3df と IEEE 802.3dj の違いは何ですか?

IEEE 802.3dfは、IEEE Std 802.3df-2024 となった、完成した 400 Gb/s および 800 Gb/s イーサネット標準パスです。IEEE P802.3djは、レーンあたり 200G 関連の作業を含む、200 Gb/s、400 Gb/s、800 Gb/s、および 1.6 Tb/s イーサネットの目標に取り組む進行中のタスクフォースです。

800G イーサネットには 200G PAM4 が必要ですか?

No. 800GE は、8 × 100G チャネル パスおよび 4 × 200G チャネルを通じて実装できます。 200G PAM4 は、将来の 800G および 1.6T の実装に向けてレーン数と光の複雑さを削減できるため重要ですが、これが 800G への唯一の道ではありません。

800ZR は 800G ネットワークのどこに適合しますか?

800ZRより長距離のコヒーレント 800G リンクに適合します。これは、80 ～ 120 km の増幅されたポイントツーポイント DWDM リンク用の単一波長 800G コヒーレント ライン インターフェイスを定義し、400ZR スタイルのコヒーレント DCI アプリケーションからの直接アップグレード パスとして位置付けられます。