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200Gのシリアルと800GのWDM、どっちが先に100万ポート出荷を実現できるのか?

【光Ethernetの歴史と発展】

 Ethernetというか10GBASE-Tに関しては、2017年から【10GBASE-T、ついに普及?】と題し、全11回と番外編2回をお届けした。だが、ツイストペアによる銅配線のEthernetは10GBASE-Tまでで、25/40GBASE-Tはまだまだ実用化には至っていない。

 【アクセス回線10Gbpsへの道】とも一部は被るかもしれないが、ここでは光ファイバーを利用する“光Ethernet”を紹介していこう。

「光Ethernetの歴史と発展」記事一覧

到達距離10kmで800Gを実現する5つの案

 到達距離10kmの規格に関しては、HuaweiのTingting ZHANG/Sen ZHANG/Yan ZHUANGの3氏もプレゼンテーションを行った。もっとも、こちらは具体的なプロポーザルというより、議論のための叩き台といった内容である。

新規性には乏しいが確実に実現できる「800G LR8」

 「800G LR8」は、100G×8のLWDMとなっている。このアイデアは、送信側に8対のレーザー光源(それも冷却が必要)という点ではコスト増になる。しかも、Chromatic Dispersion Limit(前回も触れた通り、あえて訳せば「色分散限界」)に引っ掛からないようするため、波長は1273.54~1309.14nmの間の35nmほどと狭い範囲に、8つの波長を通すため、各波長の差は5nm前後とかなり狭い。必然的に、WDMのMUX/DEMUXのコスト上昇につながる。

 その一方で、レーザー光源そのものは既存の800Gのものでいいし、DSPも400Gの延長で行ける(何なら400GのDSPを2個並べてもいいからだ)ということで、新規性には乏しいが、確実に実現できるソリューションである。

技術的には一番確実性が高いというか、既に実証済みの技術で固めた案と言える

低コスト化は期待できるが、大幅削減には至らない「800G LR4」

 次が「800G LR4」。こちらはレーンあたり200Gにすることで、4波長のDWM構成を取る手法である。光源は1295.56~1309.14nmと引き続きLWDM方式を取るが、波長の間隔を狭めることで、シンボルレートが上がってもChromatic Dispersion Limitの影響は最小限に抑えられるとしている。

 レーザー光源も4つで済むから、その分消費電力とコストは抑えられる。その一方、200Gを使う関係で技術的には当然チャレンジになる。レーザー光源とDSP、どちらも新規開発が必要になるからだ。WDMのMUX/DEMUXについては、波長の数が減る分低コスト化を期待できる一方で、波長の間隔はさらに厳しくなるので、大きくはコストが下がらないと想像される。

厳密に言えば「800G LR8」より波長の間隔が短い(4.5nm程度)。それもあってFECの強化が必要と予測されている。

Coherentを利用した「800G LR1」

 Coherentを利用した「800G LR1」については、前回細かく説明しているので割愛するが、C-Bandを利用できる分、光ファイバーの減衰は少なく、10kmの到達距離を確保するのはそう難しくないだろう。

 その反面、DSP周りやモジュレーター周りが高コストになることは必須だ。まだ、800Gに関してはOIF Forumでも実現していないので、技術的面でのチャレンジがある点も懸念事項の1つである。

「Coherent 400G」の2波長をWDMでやる「800G LR2」

 800G LR1をもう少し手堅い方法で実現しようというのが、第4案の「800G LR2」である。まさかのCoherent 400Gの2波長をWDMという、なんというか猛烈な力技である。

 コスト面はどう見ても800G LR1より割高になるのは間違いない(WDM MUX/DEMUXまで必要になるし、光源も2つ必要)し、消費電力も端的に言って400ZRの2倍以上になるなど、問題点は多い。

 その一方で、端的に言えば400ZRを2つ並べれば実現できる(もちろん上位層で細工は必要だが)というあたり、実現可能性が高いのは事実である(電力の問題さえ何とかなれば、という条件付きではあるが)。

ただし、C-Bandを使うとなると波長の間隔をそれほど広げられないため、この試案では1547.72nmと1548.51nmと波長の差が非常に少なくなっている

SHDを使用して、1対の光ファイバーで送受信を可能に

 5番目の案はすごいモノが出てきた。構成としては第3案に近いCoherentであるが、ここに「SHD(Self-Homodyne Detection:自己ヘテロダイン検波)」を使おう、というものだ。

 SHD自身は以前から研究されている手法であり、Coherent通信の一種である。「HD(Heterodyne Detection」に分類される第3・4案の場合は、信号光とは別に「LO(Local Oscillator)」と呼ばれる連続光を用意し、信号光とLOを干渉させることで信号光複素振幅を取り出す方式であるが、この信号光と連続光は周波数や位相が完全に一致はしていない。

 これに対してSHDは、LOの周波数や位相を完全に信号光と一致させるというものだ。その結果、信号感度は10~20dB向上し、WDMの利用時には隣接チャネルの干渉を(光→電気信号への変換後に)理想的なフィルタで除去できるため、特にDWDMにおいて有利、波長分散などに起因するひずみを電気回路で補償可能、などいくつかの大きなメリットがある。

受信側には、「ICR(Integrated Coherent Receiver)」と「SVDD(Stokes Vector Direct Detection)」を使う2案が上がっている。つまり、複数の提案が出せる程度にまだ鉄板の方式がない、ということでもある

 もっとも、DWDMを利用した長距離伝送システムならともかく、10kmオーダーの「短距離」ネットワークではまず使われたことがない方式だけに、現実的なコストでの実装が可能か?と言われるとかなり疑問符が付く。

 それはともかく、SHDを利用する方式はレーンあたり200Gとなるので、これを4波長並べてWDMのMUX/DEMUXを噛ませることで、1対の光ファイバーで送受信を可能にしよう、というものだ。

ただし、DAC/ADCの数は増えるし、DSPでの処理はさらに重くなると思われる。

 この方式と800G LR4の違いというかメリットは、波長を広く取れる(CWDMでも対応できる)というものだ。Chromatic Dispersion Limitに起因する歪みや、伝達特性の悪化に対して原理的に強い(というか、DSP段で補正ができる)ため、レーザー光源は使い慣れたものが利用できるし、WDMのMUX/DEMUXも800G LR4と比べれば安く上がると思われる。

SHDを用いると実装難易度は高い一方、難易度が低い案は部品実装レベルに難

 ここまでの5方式について、その特徴をまとめたのが以下となる。

 SHDを用いる5つ目の案は、シンボルレートが低く、自然空冷のレーザーで済むが、アルゴリズム実装の難易度はもっとも高そうだ。反対に、相対的に実装の難易度が低いのは第1・4案であるが、いずれも消費電力やモジュールサイズといった部品実装レベルでの難易度が高い。第2・3案は、ちょうどその中間というあたりだろうか。

要するに、どれを選んでもそれなりに困難さがあることをまとめたかたちだ。あとはどこでリスクを取るか、という話になる

「IEEE 802.3bs」の200Gb/s対応製品は2021年、400Gb/sは2023年に

「IEEE 802.3ae」と「IEEE 802.3ba」の40Gb/s対応製品は4年、100Gb/s対応製品は6年掛かっているところからの推定と思われる

 これとは別にスケジュールに関しての問題提起をしたのがParallax GroupのChris Cole氏である。余談だが、プレゼンテーションのサブタイトルは"IEEE 802.3df Beyond 400 Gb/s Study Group"であり、非公式ではあるが「IEEE 802.3df」の番号が振られたらしい。

 そこで、既存の規格の標準化完了時期と、その規格に基づいた製品が100万ポート出荷される(た)時期をまとめたのが右の表で、「IEEE 802.3bs」の200Gb/s対応製品は2021年、400Gb/sは2023年になるとされる。これをもう少しBreakdownしたのが以下の左(右はそのための補足説明)となる

こうしてみると、実に多くの種類の標準があり、改めて理解し難いと感じる
2020年前半期の分は推測値と思われる

 上記は2020年3月時点のデータだが、100GbE/200GbEこそWDM/PSMが多いものの、10/40Gや100/400GではSerialの方が多い。以下のその1年後のグラフを見ると、IEEE 802.3bsの200Gが100万ポートに達するのは2021年後半~2022年前半あたりだろうし、400Gはこの調子だと2023年に本当に100万ポートに達するのか、かなり怪しい感じはある。ただ、逆に言えば、200Gが2021年以降、400Gが2023年以降という上での推定が前倒しになることはないと考えてよさそうだ。

200/400Gの伸びが大きい。400Gも比率で言えば3倍弱だが、何しろ絶対的なポート出荷数が少ない(3万→8万)。3万ポートのまま増えない50Gよりはマシなのだろうが

 これを念頭に、現在策定中の800G/1.6Tの登場時期を外挿のかたちで推定したのが以下の表だ。

そもそも、800Gで100G×8が主流になるかどうか、という問題がまず存在する。やはり本命は200G×4だと思われるので、その意味では100万ポート出荷が2029年あたり、というのは個人的には納得できる

 800Gですら2029年、1.6Tは2031年になる、ということになる。これは、標準化完了が2025年という前提の話なので、例えば実際にIEEE 802.3dfのTask Group結成後に、レーンあたり200Gに関しては別仕様分離し、レーンあたり100G/Laneだけで標準化を進めた場合にはもう少し早くなる(2023年末~2024年?)こともあり得るが、その可能性はあまり高いとは言えないだろう。

800Gの1st Shipmentが2022年というのは、100G×8の構成で、800G Pluggable MSAの800G SRあたりではないかと思う。

 上記はここまでの議論をまとめたものだが、このままでは、以下としたうえで、200Gのシリアルと800GのWDM、どちらが先に100万ポート出荷を実現できるのか? と問い掛けている。

  • 800Gは40GbEや200GbEと同じタイムラインに
  • 1.6Tは10/100/400GbEと同じタイムラインに

 もし、200Gのシリアルが先行するようであれば、1.6TのWDMが800GのWDMに先んじて市場を席捲する可能性があるわけで、これは標準化の方向性を決めるにあたって、重要な問い掛けになると思える。

大原 雄介

フリーのテクニカルライター。CPUやメモリ、チップセットから通信関係、OS、データベース、医療関係まで得意分野は多岐に渡る。ホームページはhttp://www.yusuke-ohara.com/