最大800Gbpsの100G PAM-4 PHY、ベンダー各社がサポート、受発光素子普及のカギは940nm？

最大800Gbpsの100G PAM-4 PHYをBroadcom、Intel、Synopsys、Xilinxがサポート

　さて、その次の800Gbpsであるが、とりあえずコンポーネントベンダーは意欲的である。例えばBroadcomは7×100G PAM-4 PHYである「BCM87800/BCM87802」を7nmプロセスを利用して製造し、提供を開始したことを2020年12月に発表している。

　リリースにもあるが、BCM87800/BCM87802はQSFP-DD800およびOSFPトランシーバーモジュールに最適化された設計となっている。また800Gの8:8 Retimerである「BCM87360」も同時にリリースされている。

　この100G PAM-4 PHY、正確には112GbpsのPAM-4 PHYとなるが、各社とも当たり前のようにサポートし始めている。例えばIntelは、同社の10nmプロセスで製造した「Agilex」という新しいFPGAファミリーでこの112GbpsのPHYをサポートしていて、2018年には112G PHYの動作デモを行っていた。

　同様にSynopsysは2019年、TSMCのN7 Processを使った「DesignWave 112 Ethernet PHY IP」の動作デモを公開している。一方Xilinxも、現状ではハイエンドとなる「Versal Premiumシリーズ」で112G PHYを搭載している。

最大100Gの受発光素子に関する規格策定へStudy Group立ち上げ

　PHYというかコントローラー側は、そんなわけで2018年～2019年頃から着々と準備が整い始めた。送受信素子の側に目を転ずると、2019年11月に開催されたIEEE 802 LMSC November 2019 Plenary meetingにおいて、CFI Consensus Presentationとして"Lower cost, short reach, optical PHYs using 100 Gb/s wavelengths"という提案が出ている。

　"CFI Consensus Presentation"、つまりCall for Interestを提案するための資料であって、まだStudy Groupが結成される以前の段階のものだが、2019年の段階では100Gの発光素子（VCSEL）はまだ開発途中との但し書きをした上で、50G向け（25G PAM-4）は順調であるとしていた（以下左）。実際2019年のOFCでFinisarが行ったデモでは、30m程度の到達距離は実現可能としている。

12.5GHz前後までSパラメーター（S1から入力した信号がS2から出るまでの損失）が0dBながら、以降で急速に劣化し、25GHzの損失は9dB。青い線のように損失を減らせれば実用的、という話だ

940nmが出てくる理由はまた後で。出典は"Lower cost, short reach, optical PHYs using 100 Gb/s wavelengths"

　実際、波長に850nmを利用した場合、それなりにEye Heightが取れることが示された。このままでは、いろいろ厳しいのはもちろん事実だが、さまざまな工夫で何とかなる、というのが、送信側の暫定的な結論だ。

まだEarly Prototypeでの話だから、あくまでも技術的な可能性があるかどうかの議論のレベル

ここでも940nmの議論が出てくる。出典は"Lower cost, short reach, optical PHYs using 100 Gb/s wavelengths"

　受信側については案外楽観的で、かなりの回路が既存の規格のものを再利用できるとしている（以下左）。そんなわけで、このプレゼンテーションの後で投票が行われた結果、65名の参加者に対して55名の賛成を得てStudy Groupの立ち上げが決まった（以下右）。

既に100Gで受信できる素子は現実問題として存在しており、あとはいかに低コストにするかの問題だから、こういう書き方になったのだろう

反対はさすがに0だった模様。出典は"Lower cost, short reach, optical PHYs using 100 Gb/s wavelengths"

　もっとも、100GのPAM-4という規格そのものは、『53.125Gの「PAM-4」を4対束ねた「PSM4」で最大400Gbpsを実現する「400GBASE-DR4」』でも紹介している「400GBASE-DR4」として既に存在している。

　もちろん、こちらは波長が1310nm帯でSMFを使う規格だから、MMFを使うことを前提とした場合は、そのままというわけには行かない。少なくと発光素子は全く異なるし、受光素子にも多少の変更は必要なのだが、まるっきり不可能ではない、という目途は立っていたようだ。

　このCall for Interestを受けて結成されたのが"IEEE 802.3 100 Gb/s Wavelength Short Reach PHYs Study Group"で、これは最終的に、2021年5月にDraft 1.0の完成に向けて現在作業中の"IEEE P802.3db 100 Gb/s, 200 Gb/s, and 400 Gb/s Short Reach Fiber Task Force"につながっている。

自動車の自動運転で広まった「LiDAR」が940nm普及のカギ800Gへ向けた各MSAの取り組みは？

　ただ、P802.3dbは、その名にもある通り100/200/400Gの規格で、800Gは枠外だ。そこで、こちらに向けた検討を行っているのがIEEE 802.3 Beyond 400 Gb/s Ethernet Study Groupである。

　こちらは2020年10月にCall for Interestが出され、これが承認を受けて2021年1月からStudy Groupの活動が始まったばかりだ。ただ、800G向けのMSAの活動を受けてという部分もあるため、まずはMSA側の動きを紹介したい。

ただ、歴史的に見ると「ほかの用途で大量に使われてるから安価」というものは、規格を詰める中で独自の要求などが出て転用できず、結局高価になったりすることも多い。出典は"Proposed objectives for 100 Gb/s Proposed objectives for 100 Gb/s short-reach PMDs"

　その前に1つ。940nmが出てくる理由の答えが右だ。ここで言う"3D sensing applications"は、最近自動車の自動運転に伴って広く利用されるようになった「LiDAR（Light Detection and Ranging）」である。

　これは要するに940nmのパルス状のレーザーを周囲に放射し、戻ってくるまでの時間を測定することで、物体までの距離や、そもそも物体があるかどうかを検知するセンサーだ。

　もちろん無指向に放射したら方角が分からないので、基本は1度に1方向の検知を行うかたちだが、モーターで回転する反射鏡と組み合わせることで、センサーの全周の物体検知とその距離を取得できるというものだ（最近は反射鏡を利用しないものが次第に増えてきたが）。

　細かい話はINTERNET Watchの範疇を外れるので説明しないが、自動運転のニーズが高級車のみから、一般車のやや高めのグレードを経て、大衆車向けののオプションにまで提供されるようになってくると、LiDARのニーズが増える一方でコストに対して非常に厳しくなる。

　結果、940nmのVCSELが猛烈に安く、しかも大量に入手できるようになってきたので、これを転用すれば安くなる、という見積もりだ。今後これがどうなるのかはまだ分からないが、そういう背景があっての動きと、ご理解いただきたい。

　というわけで、800GのMSAについて。800Gについての取り組みを行っている団体と、その発表内容には以下のようなものが挙げられる。次回はこれらをもう少し細かくご紹介したい。

• Ethernet Technology Consortium
  "800G Specification"を2020年10月にリリース
• QSFP-DD800 MSA
  "QSFP‐DD specification for 800G operation"を2020年3月にリリース
• OSFP
  2017年リリースのForm Factor Specificationで既に800Gを考慮
• 800G Pluggable MSA
  "800G-PSM8 Technical Specification Draft 1.0"を2020年8月にリリース