「100G PAM-4」の採用で最大100Gbps、到達距離2kmの「100G-FR」と10kmの「100G-LR」

100G PAM-4を推進していたCiscoやLumentumを中核とする「100G Lambda MSA」

　今回紹介する「100G Lambda MSA」は2017年9月12日に結成された。創業メンバーはAlibaba、Arista Networks、Broadcom、Ciena、Cisco、Finisar、Foxconn Interconnect Technology、Inphi、Intel、Juniper Networks、Lumentum、Luxtera、MACOM、MaxLinear、Microsoft、Molex、NeoPhotonics、Nokia、Oclaro、Semtech、Source Photonics、住友電工の各社だ。

　この22社がPromotorとなったが、その後2018年9月までに、さらにContributorとして16社加わって計38社となった。その後、最新の状況では、Promotorが21社に（Foxconn Interconnect Technologyが脱退、OclaroがLumentumに買収された一方、HiSiliconがPromotor入りしている）、Contributorが26社にそれぞれ増えている。

　その100G Lambda MSA結成の動機は、どうやら「IEEE 802.3cd」の仕様策定の最中に出てきたようだ。

　IEEE 802.3cdの成立前後の話は『50Gbpsに対応する5つの規格「50GBASE-KR/CR/SR/FR/LR」』で触れているが、基本は50GbpsのPAM-4変調で、1レーンあたり50Gbpsの通信方式だ。実はこの方式の議論の中で、「50G PAM-4」以外に「100G-PAM4」も候補として取り上げられていた話は『「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』で触れた。

　最終的に、P802.3cd Task Forceでは100G PAM-4の採用を見送ったが、これを強力に推進していたCiscoやLumentumを中核としたグループが、「それならMSA立ち上げて勝手にやるもんね」ということで結成されたのが100G Lambda MSAとなるわけだ。

光源と受光素子が1組のみの「100G PAM-4」を採用「CWDM4」と比較してモジュールコストを削減

　100G Lambda MSAのメリットは、コストの低減である。以下の図はP802.3cdの2016年9月に開催されたミーティングにおける「Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM4 500m」というプレゼンテーションのまとめだが、例えばCWDM4と比較した場合、モジュールコストを大幅に削減できるとしている。

100G PAM-4採用による困難が加味されてないあたり、ざっくりとした見積もりだからということだろう。出典は"Broad Market Potential & Economic Feasibility: 100G Single λ PAM4 500m"

　ポイントは、CWDM4は4つのレーザー光源と受光素子に加え、MUX/DEMUXが必要になり、これがどうしてもコストを押し上げる要因となることだ。100G PAM-4だと光源と受光素子は1組で済む上、MUX/DEMUXは必要ないため、その分コストを下げられる。それもあって最終的にこの案はP802.3cd Task Forceで却下されたが、その前後からMSAを結成する機運が高まっていたのかもしれない。

　ちなみに、上の図はLumentum、Cisco、Dell'Oro Group、Oclaroの4社によるもので、アナリスト団体であるDell'Oro Groupを除いた3社が100G Lambda MSAの中核になったものと思われる。ちなみに100G Lambdaは、要するに1波長（1λ）で信号を通す、というところから名付けられたものと思われる。

SMF1対で最大100Gbps、最大到達距離2kmの「100G-FR」、10kmの「100G-LR」

　MSA結成から4カ月後の2018年1月には、早くも最初のSpecificationである"100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 1.0"がリリースされている。

　その後、2018年9月にはRevision 2.0がリリースされている。変更点は、IEEE 802.3cd-2018の標準化完了に伴い、Optical Tx/Rxのテスト方法のリファレンスをIEEE 802.3cd-2018にした程度で大きな変更点はない。逆に言えば、MSA結成から4カ月で割と完璧なSpecificationが出たというあたり、MSA結成前から作業が進められていたものと推察される。

　さて、その「100G-FR/LR」であるが、どちらもSMFを1対（送受信は別なので2本）で100Gbpsを通す仕様である。到達距離は100G-FRが2m～2km、100G-LRが2m～10kmとなっている。

　特徴的なのは、PMAが100Gモジュールで良くあるCAUI-4、つまり25G×4ではなく100GAUI-2、つまり50G×2なことだ。これは多分コストを抑えるためには56G×2の信号が一番都合がいいということから来たのだと思われるが、この当時はまだ50Gに対応したスイッチ製品はあまり一般的とは言えず、ほとんど存在していなかった。

　100GのスイッチにはQSFP28モジュールを使うのが通常で、実際にCiscoは2020年1月、CWDM4の100Gモジュールに替えて100G LambdaのFRモジュールである「QSFP-100G-FR-S」の提供を開始しているが、モジュールそのものはQSFP28である。

　要するに、モジュールの中へ4:2のGearboxを入れて25G×4を50G×2に変換した上で光に変調する（あるいはその逆）というかたちになっている。これは、仕方がないとは言え当初の「低コスト」が崩れた格好だ。最初の図で言えば、少なくともICの価格は、Gearboxを内蔵したことでやや上昇しているだろう。

　電気的、光学的な特性で言えば、利用する波長は100G-FR/LRともに1310nm（1304.5～1317.5nm）。Signaling Rateは53.125±100ppmである。同じように100G PAM-4変調を行う「400GBASE-DR4」と比べても、このあたりのパラメーターは同一だ。

この図の中のMux/Demuxは、要するにPAM-4の変調／復調の部分となる。出典は100G-FR and 100G-LR Technical Specifications Rev 2.0のFigure 1-1

　異なるのは送受信のパワーである。400GBASE-DR4は到達距離が2～500mと比較的短距離向けだったから、送信側のAverage Powerは-2.9～4dBm、受信側は-5.9～4dBm（どちらもレーンあたり）という、比較的おとなしめのスペックだった。

　100G-FRは送信側が-2.4～4dBm、受信側が-6.4～4.5dBm、100G-LRは送信側が-1.4～4.5dBm、受信側が-7.7～4.5dBmと、かなり受光側の感度を引き上げている。400GBASE-DR4がファイバーによる損失を3dBまで許容するのに対し、100G-FRでは4dB、100G-LRでは6dBまで許容するかたちだ。

　前回も書いたが、SMFの損失はおおむね0.3～0.4dB/kmだから、2kmで最大1dB弱、10kmだと3～4dBになる計算だ。4ないし6dBであれば、マージンとしては多すぎるように見えるかもしれないが、NRZならばともかく、PAM-4であることを考えれば、これでもギリギリといったあたりではないだろうか。

Eye Patternの開き具合の指標である「TDECQ/SECQ」は「100G-FR/LR」と「400GBASE-DR4」で同じ3.4dB

　やや余談となるが、PAM-4の特性に関しては、400GBASE-DR4でも100G-FR/LRでも、TDECQ/SECQが3.4dBと規定されている。SECQ（Stressed Eye Closure for PAM4）というのは、理想状態（光ファイバーを付けない状態）でのEye Patternの開き具合を示しており、一方のTDECQ（Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4）は、実際のEye Patternの開き具合を示すパラメーターである。

SECQとTDECQが指標として使われた理由については、例えば"TDECQ and SECQ vs Rx sensitivity: review of previous presentations and proposed changes"などに細かい説明がある。出典は"SECQ and its sensitivity to measurement bandwidth"

　上はP802.3cd Task Forceの議論の中で出てきたスライドであるが、SECQやTDECQというパラメーターは、Eye Patternの開き具合の指標として割と便利である、と経験的に判断されている。PAM-4では送信側でTDECQ、受信側でSECQを利用することで、Eyeがきちんと開いてPAM-4での信号伝達が可能になる、とされている。

　TDECQ/SECQのパラメーターが400GBASE-DR4と3.4dBで同じというあたり、基本は400GBASE-DR4と同じながら、到達距離を延ばすために送信出力をやや引き上げるとともに受信感度を大幅に引き上げた、と考えるのがいいかと思う。

　先にも少し触れたが、Specification自身は2018年の早い時期に確定していたので、そこからベンダーがモジュール製造にとりかかったはずなのに、実際に出荷され始めたのは2020年からだった。これは、100G PAM-4の実用化に、それなりの技術的な困難さがあり、乗り越えるのに時間を要したということだろう。

　例えば、信号の電力が1mW程度、つまり0dBm程度のケースの波長では、最悪の場合は-6.4dBm（0.23mW）や-7.7dBm（0.17mW）へ、要するに振幅が上の図よりもさらにひと桁減るわけで、送信側はともかく、受信側はこのわずかな振幅から4レベルを判定する必要が出てくる。

　もちろん、FECは掛けられるのが前提ではあるが、これを実用化するのは相当なチャレンジだ。受光素子そのものに加え、光の電気信号をデジタル量に変換する「ADC（Analog Digital Converter）」の解像度やサンプリング速度、ノイズ特性などの点で、かなりのチャレンジがあったものと想像される。

　ところで、100G Lambda MSAはこの100G-FR/LRをベースに400Gの規格化も視野に入れていたし、さらに長距離伝達を可能にする規格も策定していた。次回はこのあたりをご紹介したい。