「25G PAM-4」で100/200Gbpsを実現する7規格に続き、1対のSMFで100Gbpsの「100G PAM-4」が実現へ

「IEEE 802.3cd-2018」で定義された7つの100/200Gbps対応規格

　50Gbpsの方式が定まれば、必然的にそのまま100G/200Gbpsについても定まることになる。「IEEE 802.3cd-2018」では、以下7つの規格が定義されている。

　「100GBASE-DR」以外はあまり考えるまでもなく、それぞれが「50GBASE-CR/KR/SR」の延長であり、単にケーブルなり配線の数を増やすだけだから、もともとの25G Ethernet Consortiumが想定した通りの構成であり、これは理解しやすい。

BERがこんなに高くていいのか？　という気もするが、補正前ならこんなものだろう。出典は"100GBase-DR2: A Baseline Proposal for the 100G 500m Two Lane Objective"

　ちょっと違う方向に行ったのが100GBASE-DRである。もともとは「P802.3cd Task Force」の2回目のミーティングの際に"100GBase-DR2: A Baseline Proposal for the 100G 500m Two Lane Objective"として提案がなされたのが元だ。ただし、この段階での提案は50Gbps×2という、ほかと同じものであった。

　「100GBASE-SR2」とは、SMFを利用する点が違いで、これに伴って光源などもSMF向けになってはいるものの、要するにその程度でしかなかった。

1対のSMFで100Gbpsを実現する「100G PAM-4」

　ただ、実はこれと並行し、「50G PAM-4」ではなく「100G PAM-4」に関する議論も、Task Forceの中では盛んに行なわれていた。

　例えばP802.3cd Task Forceにおける3回目のミーティングでは、LumentumやCiscoなどのグループが、100G PAM-4のマーケットデマンドが有望であることを語り（以下左）、IntelとMacom、Keysightのグループは、試作した106GbpsのPAM-4 Optical Linkの評価結果を示して（以下右）、100G PAM-4が現実的なものであることをアピールした。

これはアウトラインのみであるが、全体を通して「100G PAM-4は将来性も有望だし、大きなデマンドがある」との基調で説明が行われている。出典は"Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM-4 500m"

こんなEYEで大丈夫なのか？と思わざるを得ないが、これでもBERが1.35×10^-6を実現できるとしているのだからすごい。出典は"Technical Feasibility Study of 106 Gb/s PAM-4 Optical Link"

　この背景には、P802.3cdのTask Forceに先んじて活動していたP802.3bsの"200Gb/s and 400Gb/s Ethernet Task Force"の動向がからんでいる。その名の通り、200/400Gbps Ethernetの標準化策定を行っているチーム（この話はもう少し後で）なのだが、ここで「400GBASE-DR4」がほぼ行ける、という目途が立ったことが大きい。これは、4対のSMFで400Gbpsを達成する、つまり1対のSMFあたりで100Gbpsを実現できることが、ほぼ確実になったということだ。

　このP802.3bs Task Forceが2016年7月のミーティングでリリースしたDraft 2.0の内容を基に、100G PAM-4を利用する100GBASE-DRが（「100GBASE-DR2」に代えて）急きょ提案されたというわけだ。

　ちなみにP802.3bsの方でも、100GのPAM-4を使うのは400GBASE-DR4のみだ。これには、50G PAM-4ですら大変なのに、100Gになるとさらに厳しくなり、伝達特性に劣るMMFではまともに信号が伝達できず、SMFの場合でも距離が延びると厳しい、という事情がある。

　このあたりを鑑みて、P802.3cd Task Forceでも100GBASE-DR以外は全て「25G PAM-4」のままとし、50G PAM-4の採用を検討したりはしなかった。賢明な態度と言えるだろう。

　やや不思議なのは、「200GBASE-DR2」が検討されなかったことだ。実は「200GBASE-DR4」はP802.3bsの方で仕様が策定され、最終的に標準化までが行われている。こちらは25GのPAM-4を4対で200Gという構成で、これを50G PAM-4に置き換えれば2対のファイバーで済むはずなのだが、そうしたニーズは案外多くなかったようだ。

PAM-4の変調はモジュール側で行うのが既定路線に

　さて、次はモジュール向けインターフェースである。「25GBASE-R」に関しては、PHYとのインターフェースは25GMIIになっている（以下左）が、仕様によれば25GMIIはオプション扱いだ（以下右）。25GMIIは現実問題として、390.625MHz×32bit（双方向なので実際には64bit）幅となり、チップ内や基板上の配線はともかく、モジュールの接続には適さない。結局のところPMAの部分で繋ぐことになる。

25Gの場合はFECはオプション扱いとなる。出典はIEEE 802.3cd-2018のFigure 109-1

RSとPCSの仕様は決まっているから、それが満たされれば、25GMIIである必要は特にないのだが

　ただ25Gbpsの25GBASE-Rに関しては以前『最大200Gbpsを見据えた「CFP2」、サイズはCFPの半分に、さらに小型化を果たした「CFP4」も』で説明したように、SFP28をそのまま利用することができる。レーンあたり25Gの信号が1対だけだから、これはそれほど問題はない。

　では50Gは？　というのが次の問題となるわけだ。これはPAM-4の変調をどこでやるのか、という問題ともからんでくる。仮にチップセット側（つまりモジュールの手前）でPAM-4の変調を行ってしまえば、信号速度そのものは25GT/secだから、SFP28でも理論上はいけることになる。

　もっとも、光ファイバーを前提にしたPAM-4で変調した信号を、そのままSFP28用のコネクタや基板上の配線を通して支障がないかというと、現実問題としては甚だ疑問だ。そうしたこともあってか、PAM-4の変調はモジュール側で行うのが既定路線となった。これは当然ではあろう。

50Gbpsの信号速度を扱う6種類のモジュール規格

　そうなると、信号速度としては50Gbpsを扱う必要があり、これはSFP/SFP+ではカバーできない。そこで、これに向けて6種類（厳密に言うとさらにもう1つあり7種類）のモジュール規格が登場した。具体的には以下が一般的なモジュールである。

• CFP：CFP MSAの策定する規格
• SFP-DD：SFP-DD MSAの策定する規格
• QSFP：SNIAの策定する規格
• QSFP-DD：QSFP-DD MSAの策定する規格
• OSFP：OSFP MSAの策定する規格
• CDFP：CDFP MSAの策定する規格

　ほかに、Consortium for On-Board Opticsの策定する「COBO」という規格も、一応モジュール規格としていいだろう。それぞれのモジュールの構造の概略をまとめたのが以下だが、規格は乱立していると言える。

Ethernet Allianceの2019年ロードマップにある「BackSide」の右下に掲載された「FORM FACTORS」の左側にある4-16 Lane Interfacesのうち、「OBO（On Board Optics）」がCOBOに相当する

　このうち、CFPについては『40G/100Gへ向けIEEE 802.3baで定義されたInterconnectとトランシーバーの規格』で、SFP-DDとQSFPについては40Gbpsの「QSFP+」、50Gbpsの「QSFP56」、112Gbpsの「SFP-DD」「QSFP28」』で、それぞれご紹介しているので繰り返さない。

　ちなみにこの記事では"SFP56"と説明しており、確かに通り名として使われることもあるのだが、公式名称（？）は一応"SFP-DD 56"である。おそらくQSFP56と区別が付きにくいためだろう。

　SFP-DDの場合、1レーンあたり25Gbpsとすれば2レーンでは50Gbpsとなり、「50GBASE-R」がそのまま収容できることになる。モジュールの消費電力としてはPower Class 1～8が定義され、うち1～5が1.0/1.5/2.0/3.5/5.0Wとなっている（6と7は未使用で、Class 8は別途Management Register経由での定義とされる）。PAM-4 PHYを入れて5Wというのは、かなりギリギリのところではないかと思う。

　一方、QSFPの場合は信号が4対あるので、信号レベルを12.5Gbpsへ落とすことが可能で、実際にSFF-8683 QSFP+ 14Gb/s Cageという仕様もある。だが、それだとわざわざ1:4のGearboxを挟む必要があって、あまり意味がない。

　なので、4対のうち2対だけを使って25Gbpsを通す方がマシ、という割と現実的な判断が下された。もっともそうなると「どのピンを使うか」がちゃんと規定されないと混乱が発生しそうだが、Specificationにはそれが明記されていない。

　なので、50GBASE-RをサポートするQSFP28モジュールはごくわずかに存在するが、それはスイッチメーカーがQSFPで製品のポートを統一していて、ここにどうしても50GBASE-Rを繋げたいという、非常に限られた用途向けになる。このため特定メーカーが自社の特定製品での動作のみをサポートする、というかたちであって、一般的とは言い難いものとなっている。