知識

1.400G、本当にここにあります

つい最近の 2024 年 3 月に、チャイナ モバイルは世界初の 400G 完全光省間（北京内モンゴル）幹線回線を開通しましたが、これは重要なマイルストーンイベントと考えられています。

バックボーン ネットワークを 400G にアップグレードする理由は明らかです。

一方で、住民のデジタル ライフ (高解像度ビデオ、テレビ会議、オンライン ライブ ブロードキャスト、オンライン ゲームなど) によってもたらされる消費者向けインターネット トラフィックの増加は依然として続いています。

一方で、業界全体がデジタルトランスフォーメーションを推進しており、業界のデジタルシステムからのトラフィックの急増によりバックボーンネットワークへの負担が増大しています。

バックボーン ネットワークへの圧力の突然の増大も、AI の爆発という主な理由によるものです。

AIGC ビッグモデルの台頭後、AI の波を引き起こしました。 AI ビジネスのニーズを満たすためには、多数のインテリジェント コンピューティング センターを建設する必要があります。モデルは数十億のパラメータから数兆のパラメータに進化し、GPU コンピューティング能力クラスタも 1,000 枚のカード クラスタから 1 万枚のカード クラスタ、さらには 10 万枚のカード クラスタに移行しました。

GPU コンピューティング パワー クラスターは、実際には、InfiniBand や RoCEv2 などの高性能ネットワークを介して接続された大規模な GPU カード (GPU サーバー) のアレイです。ネットワークのパフォーマンスと信頼性に対する要件が非常に高く、トレーニングの効率とコストに直接影響します。

GPU サーバーのネットワーク ポート速度だけで言えば、すでに 400G の単一ポートから開始されており、800G 以上を必要とする場合もあります。

GPUサーバーのネットワークポート

以前は、GPU コンピューティング パワー クラスターは DCN (データ センター ネットワーク) のカテゴリに属していました。現在、クラスター サイズの継続的な拡大に伴い、分散型インテリジェント コンピューティング センターをモデルのトレーニングに適用することを検討し始めています。

つまり、異なる場所にある複数のインテリジェント コンピューティング センターがトレーニングのために一緒に使用されます。

これにより、DCI (データセンター相互接続ネットワーク) に対する要求が高まり、光通信バックボーン ネットワークは技術的パフォーマンスの面でこの要求を満たすことができなければなりません。

我が国のコンピューティング能力戦略は依然として「国家の調整と全体の配置」という考えを堅持している。 2022 年 2 月から、中国は全国的な統合コンピューティング パワー システムを構築するための East West Computing プロジェクトを開始しました。

簡単に言えば、一方では多数のデータセンター（発電所に相当）を建設する必要があり、他方では、電力を供給するための堅牢な基幹送電網（送電網に相当）を構築する必要もあります。このコンピューティング能力を活用し、さまざまな業界のニーズに応えます。

400Gはどのようにして達成されたのでしょうか？

現在の光通信バックボーンネットワークは、デジタル社会全体の基盤として、超大帯域幅（400G、将来は800G、さらには1.6T）、超低遅延（マルチレベル遅延サークル）、超大容量などの複数の特性を備えている必要があります。大規模ネットワーキング (前述の分散コンピューティングおよび AI クラスターに対応)、超高安定性、超高信頼性、超高セキュリティ、超柔軟な導入、インテリジェントな運用および保守制御など。

今日は、最も重要な速度帯域幅について主に説明します。

今日までの光通信技術の発展は、高速化を実現するために、次のような点に重点を置いてきたことに他なりません。

まず、ボーレートがあります。

ビット レートとも呼ばれる送信レートは、単位時間あたりに送信されるビット数であり、ビット/秒で測定されます。

ビットレート=ボーレートに単一の変調状態に対応するバイナリ ビット数を乗算したもの。

ボーレートは、単位時間当たりに送信されるシンボルの数です。ボーレートが高いほど、1 秒あたりに送信されるシンボルの数が多くなり、当然のことながら情報量も多くなり、速度の向上につながります。

ボーレートは、光デバイスの能力によって決まります。デバイスのチップ プロセスが高度になると、ボー レートも高くなり、ビット レートも高くなります。

現在、CMOS プロセスは 16nm から 7nm、5nm と増加しており、ボーレートは 30+GBaud から 64+GBaud、90+GBaud、128+ と段階的に増加しています。 GBaud。

現在の 400G は、ボーレートが 128Gbaud に達しているため、市販されています。

変調方式をもう一度見てみましょう。

先ほどの式の「1つの変調状態に対応する2進数」は変調方式によって決まります。

400G 技術の変調方式には現在主に 16QAM、16QAM-PCS (PCS は確率整形技術で、次回詳しく紹介します)、QPSK が含まれており、さまざまなアプリケーション シナリオに適しています。

光通信は無線通信とは異なり、やみくもに高次の変調を追求しません。

変調次数が低いほど、回線の要件が低くなり、ネットワーク構築のコストが低くなります。したがって、長距離バックボーン ネットワークの初期設計段階では、基本的に 16QAM と QPSK に焦点が当てられました。その後、16QAM-PCS も競争に加わりました。

以前は、「東西計算」については言及されておらず、通信事業者は 400G ではそれほど長距離の伝送は必要ないと考えていました。したがって、より成熟した技術と低価格の低ボーレート デバイスを採用し、より高い変調次数の 16QAM を組み合わせるのが業界の主流の意見です。

その後、一方では伝送距離に対する要求の高まりにより、1000km以上から数千kmにまで増加しました。一方で、128GBaud のボーレート デバイスは急速に成熟し (DCN シナリオでは、800G が急速に上昇し、業界チェーンを刺激し促進しました)、QPSK が目立つ条件を作り出しました。

QPSK は、16QAM-PCS と比較して非線形性に対する耐性が高く、入力電力を適切に増加できます。次に、QPSK のバックツーバック OSNR しきい値は、16QAM-PCS と比較して最適化されています。さらに、QPSKのチャネル間隔を150GHzに設定することで、送信時のフィルタリングコストがほぼゼロになります。

これらの利点により、QPSK は徐々にバックボーン ネットワークと DCI として業界で好まれる選択肢になりました。

3 つのオプションの大まかな比較

現在、都市または地方の用途では、最初の 2 つのオプションがより一般的に検討されています。

第三に、周波数帯域の拡大です。

ボーレートと変調は主に単一波レートに影響します。スペクトル範囲が十分に大きい限り、光ファイバー ケーブルには複数の波を含めることができます。

単一の波の帯域幅 x 単一のファイバーの波数=単一のファイバーの帯域幅。

前の表で述べたように、QPSK 400G のチャネル間隔は 150 GHz に達します。従来の C バンドと拡張 C バンドはいずれも、スペクトル帯域幅の需要を満たすには不十分です。

そのため、合計スペクトル帯域幅が 12THz の C6T+L6T 方式が徐々に採用されています。 80 波と 400G の 1 波で計算すると、1 本のファイバーの総容量は 32T になります。ある程度の距離を犠牲にしてコストを節約する場合、QPSK または 16QAM-PCS を導入すると容量がさらに増加し​​、48T に達する可能性があります。

周波数帯域の詳細については、「光通信の周波数帯域とは何ですか?」を参照してください。

周波数帯域の拡張における最大の問題は、デバイスがそれをサポートできるかどうか、またコストを制御できるかどうかです。ここでいうデバイスには、ITLA、CDM、ICR、EDFA、WSS が含まれ、光の送信と受信、光パスの交換と増幅が含まれます。

帯域の拡張に関しては、統合という問題も伴います。

現在の帯域拡張は、実際には 2 つのシステム (C と L) を単純に結合したものに似ています。 2 つのシステムは独立して動作し、多重化によって送信し、反対側で分割してそれぞれ処理を続けます。

2系統あると体積が大きくなり、消費電力も大きくなり、設計も複雑になります。したがって、業界はデバイスを統合し、同時に異なる拡張帯域をサポートするシステムを真に構築する方法を研究する必要があります。つまり、真の統合を実現するということです。

光ファイバー通信では、光モジュールや装置に加えて、光ファイバーにも注意が必要です。

現在の主流の光ファイバーは G.652D 光ファイバーです。 400G QPSK は、EDFA 増幅を備えた G.652D で 1500 km を送信することもできます。

長年にわたる検証を経て、業界は G.654E ファイバーを新しい後継ファイバーとして認識しました。よりパフォーマンスの高い G.654E を使用すると、同じ条件下で 400G QPSK の伝送距離が 30% 以上増加します。

G. 654E 光ファイバー ケーブルは大規模生産能力を備えており、長距離幹線に大規模に導入される予定です。 G. 654 シリーズの一部の低損失光ファイバは、海底ケーブル システムで海洋を越える長距離伝送に適した選択肢となっています。

従来の光ファイバーとは別に。業界はまた、マルチコア ファイバーと中空ファイバーには幅広い応用の可能性があると考えています。

マルチコア ファイバーは空間分割多重の一種で、1 つのファイバーにより多くのファイバー コアが挿入され、いくつかのモードが使用されてファイバーの容量が大幅に増加します。

中空光ファイバーケーブルはさらに印象的です。光ファイバーケーブルを中空にし、ガラスファイバーの芯を空気に置き換えるだけです。

中空ファイバーは、より大きな容量、より低い遅延、より小さな伝送損失、および超低非線形性をもたらすことが証明されており、業界では光通信において最も有望な技術の 1 つとして広く認識されています。

次のステップは 400G、800G、または 1.6T ですか?

正式な商用規模が400Gになった後は、業界全体が400Gを超える技術標準体系に注目することになる。

業界では、800G、1.2T、または 1.6T のいずれを進めるかについて、依然として集中的な議論が行われています。

より高速な速度を実現したい場合は、「変調方式+ボーレート」に取り組み続ける必要があります。 130GBd、あるいはそれ以上の260GBdは必然の方向です。ボーレートが高いということは、関連デバイスがそれに追いつき、成熟した産業チェーンを形成する必要があることを意味します。

400G を超えると、QPSK に依存できなくなります。 16QAM 変調は現在、業界で広く認識されているオプションです。

周波数帯域もさらに拡大する必要がある。 C と L の拡張に基づいて、S バンド、U バンド、E バンドなどへの拡張を検討します。C+L+S の場合、12T+5T となり、帯域幅を実現します。 17THz。

複数の要因を組み合わせると、単一ファイバーの単一方向の伝送速度が 100Tbps を超える可能性があり、これはもう目前です。

データセンター内では、800G (100GBd を超えるボーレートに基づき、単一チャネル 100G) が市販されています。シングルチャネル 200G、400G、800G になるのは時間の問題です。この点では海外の方が進歩が早いです。

容量が継続的に増加するにつれて、それがもたらす技術的な課題も増大しています。つまり、光通信の発展はデバイス、チップ、プロセス、材料に依存しています。

前述の消費電力、セキュリティ、運用および保守の要件を満たすために、テクノロジー、アーキテクチャ、パッケージング、人工知能、デジタル ツインなどの一連のイノベーションにも依存しています。産業チェーンの上流と下流では、やるべきことがまだたくさんあります。まだまだ先は長い。