コ・パッケージド・オプティクスにおけるエネルギー効率

はじめに

データレートが800Gを超え、マルチテラビットスピードへと急増し続ける中、エネルギー効率はネットワーク事業者、ハイパースケーラ、AIコンピューティング環境にとって重要な関心事となっている。レゾリュート・フォトニクスの最近の研究では、光インターコネクトアーキテクチャの違いによるビット当たりのエネルギー消費の劇的な違いが浮き彫りになっている。従来のフロントプレートプラガブル(FPP)オプティクスは、より高い帯域幅とエネルギー効率の要求を満たすことがますます難しくなっている。このため、これらの課題に対する有望なソリューションを提供するニア・パッケージド・オプティクス（NPO）やコ・パッケージド・オプティクス（CPO）が開発されている。

 

FPPからNPO、CPOへの移行

FPPオプティクスでは、プリント基板（PCB）上の電気トレースを介して、スイッチの特定用途向け集積回路（ASIC）をフロントパネルのプラガブル光モジュールに接続します。データレートが上がるにつれて、このような長い電気経路は消費電力とシグナルインテグリティの問題を引き起こします。

NPOは、光モジュールをスイッチASICの近くに配置し、電気トレースの長さを短くすることで、シグナルインテグリティを改善し、消費電力を削減することで、これらの課題のいくつかに対処している。しかし、NPOは依然として個別の光モジュールに依存しており、さらなる統合と効率向上の可能性を制限する可能性がある。

CPOは、光エンジンをスイッチASICの近く、あるいは同じパッケージ内に配置することで、統合をさらに一歩進めます。このアプローチにより、ASICと光コンポーネントの間の電気経路長が最小化され、消費電力が大幅に削減され、性能が向上します。CPOは、NPOと比較してより統合されたソリューションであり、エネルギー効率と性能向上の大きな可能性を提供します。

これらの相互接続技術のエネルギー効率は大きく異なる。これらの相互接続技術のビットあたりのエネルギー消費量（ビットあたりピコジュール - pJ/ビット）を分析すると、明確な傾向が浮かび上がります。

 

エネルギー効率の比較

• FPPオプティクス:FPPアーキテクチャでは、モジュールはスイッチ・フェースプレートに挿入されるため、チップまでの長い電気配線が必要となる。スイッチASICとフロント・パネル・プラガブル・オプティクス間の電気配線が長くなると、シグナル・インテグリティを維持するために高出力のSerDes（シリアライザ／デシリアライザ）が必要となる。この構成は、特にデータレートが上がるにつれて、大幅な電力消費につながる可能性があります。FPPオプティクスの平均消費電力は約20pJ/ビットです。
• 非営利団体:光モジュールをスイッチASICの近くに配置することで、NPOは電気トレースの長さを短縮し、FPPと比較してシグナルインテグリティの向上と中程度の低消費電力化につながる。しかし、NPOは依然として個別の光モジュールに依存しているため、エネルギー効率向上の可能性は、より統合されたアプローチに比べると限定的である。NPOは、FPPと完全なCPO採用の間の足がかりになると考えられている。
• シーピーオー:CPOアーキテクチャは、光エンジンをスイッチASICに直接統合することで、大幅な省電力化を実現しています。この密接な統合により、電気的なトレースが不要になり、消費電力の大きいSerDesの必要性が減少します。CPOの初期実装では、1ビットあたり5pJ未満という大幅な消費電力削減が実証されており、これはプラガブル光学系に比べて最大4倍のエネルギー効率となる。これは、将来の1.6Tbps、3.2Tbps、そしてそれ以上のネットワーキングアーキテクチャに不可欠です。

データセンター・アーキテクチャが51.2TBのスイッチング速度に向けて推進される中、業界は電力消費量の増大に直面している。従来のプラガブルオプティクスは電力需要を増加させ続け、エネルギー効率を重要な関心事にしている。4x800GトランシーバーとSiPh CPOチップレットを比較した最近の研究では、CPO（Co-Packaged Optics）によって大幅な電力削減が可能になることが明らかになった。51.2TBの速度における消費電力の円グラフの内訳は、CPOが高速ネットワーキングの未来である理由をさらに強調している。

51.2TBでは、さまざまなシステムコンポーネントが全体の消費電力に貢献している。主なカテゴリーは以下の通り：

• ASICパワー - スイッチの主要な計算負荷。
• CPU、タイミング、その他 - 処理機能をサポートする。
• 光学 - 信号伝送に必要な電力。
• パワー・デリバリー - 配電に必要なインフラ。
• ファンパワー - 冷却システムのエネルギー需要。

CPOは光学系の消費電力を大幅に削減し、システム全体で25%～30%の消費電力削減に貢献する。

 

ハイパースケーラとAIクラスタへの影響

光相互接続におけるエネルギー効率の向上は、ハイパースケールデータセンターやAIクラスタにとって重要な意味を持つ。エネルギー効率の向上により、帯域幅の高密度化が可能になり、データセンターは消費電力や発熱を比例して増加させることなく、データ需要の増加に合わせて運用を拡張することができる。消費電力の削減は、エネルギー料金や冷却インフラの節約など、運用コストの削減につながります。

 

エネルギー効率の高い光インターコネクトを実現するSENKOの役割

センコーアドバンストコンポーネンツは、光相互接続のエネルギー効率を高める革新的なソリューションの開発に貢献してきた。同社は、電力損失を最小限に抑えながら、効率的なデータ伝送を可能にする先進的な光コネクタやコンポーネントの開発に注力しています。センコーは、光技術の研究開発に力を注いでおり、データセンターやハイパフォーマンスコンピューティング環境において、エネルギー効率の高い相互接続ソリューションの普及に貢献しています。

 

結論

FPPからNPO、CPOへの進化は、光インターコネクト技術の大きな進歩を意味し、CPOはエネルギー効率の大幅な改善をもたらす。これらの開発は、指数関数的なデータ増加の時代にパフォーマンス、スケーラビリティ、持続可能性の向上を目指すハイパースケーラやAIクラスタにとって極めて重要である。