400G: バックボーンネットワークの最新トレンド

バックボーンネットワーク通信の最新トレンドは、400Gbps技術の採用です。この重要なアップグレードは昨年から展開されており、400年には商用2023Gサービスが本格的に開始され、2024年にはマスマーケットアプリケーションへの拡大が計画されています。2024年400月には、中国移動が世界初のXNUMXGbps全光大陸横断（北京から内モンゴル）バックボーンラインを開始し、注目すべきマイルストーンが達成されました。

400Gbps バックボーン ネットワークへの移行は、いくつかの要因によって推進されています。高解像度ビデオ ストリーミング、リモート会議、ライブ ストリーミング、オンライン ゲームなど、デジタル ライフスタイルの増加により、高速インターネットの需要が高まり続けています。さらに、業界全体でデジタル変革を推進することで、デジタル システムからのデータ トラフィックが急増し、バックボーン ネットワークにさらなる負担がかかっています。

もう一つの重要な要因は、AI ブームです。大規模な AI モデルの出現に続いて、AI 開発の波が起こっています。AI ビジネスの需要を満たすために、多数のデータ センターが構築されています。これらのモデルは、数十億のパラメーターから数百億のパラメーターに進化しており、GPU コンピューティング クラスターを数千テラフロップスから数万テラフロップスに拡張する必要があります。

これまで、GPU コンピューティング クラスターはデータ センターの内部ネットワーク (DCN) の一部でした。しかし、これらのクラスターの規模が大きくなるにつれて、モデル トレーニング用に分散データ センターを展開する方向にシフトしています。この変化により、データ センター相互接続ネットワーク (DCI) に対する要求が高まり、これらの技術的なパフォーマンス要件を満たすバックボーン光ネットワークが必要になります。

中国の計算能力に対する戦略的アプローチは、引き続き「国家の協調と総合的な計画」に重点を置いています。2022年XNUMX月以降、統一された国家計算能力システムを構築するために、東西コンピューティングプロジェクトが開始されました。本質的には、計算能力を分配し、さまざまな業界の多様なニーズを満たすために、多数のデータセンター（発電所に類似）と堅牢なバックボーン伝送ネットワーク（電力網に類似）を構築することが含まれます。

バックボーン ネットワーク通信における 400Gbps の実装は、いくつかの重要な領域における進歩の結果です。デジタル社会の基盤となるバックボーン ネットワークには、超高帯域幅 (400Gbps、潜在的には 800Gbps または 1.6Tbps)、超低遅延 (マルチレベル遅延リング)、超大規模メッシュ (分散コンピューティングおよび AI クラスターに対応)、超高信頼性、超高可用性、超高セキュリティ、超柔軟な展開、インテリジェントな運用と管理が必要です。

現在の 400Gbps の速度を達成するには、次の点が重要でした。

まず、ボーレートです。伝送速度はビット/秒 (bps) で測定され、一定時間内に伝送されるビット数を表します。

ビットレート = ボー 率 * シンボルあたりのバイナリビット数

ボーレートは、単位時間あたりに送信されるシンボルの数によって決まります。シンボルレートが高いほど、1 秒あたりに送信されるシンボルの数が多くなり、情報量が増え、速度が速くなります。

ボーレートは光コンポーネントの能力によって制限されます。半導体製造技術が 16nm から 7nm、5nm へと進歩するにつれて、シンボルレートは 30Gbaud 以上から 64Gbaud、90Gbaud、128Gbaud へと増加しました。現在の 400Gbps の商用利用は、128Gbaud のシンボルレートを実現することで可能になりました。

第二に、変調方式です。

400G テクノロジーで使用される変調方式には、16QAM、16QAM-PCS (PCS は Probabilistic Constellation Shaping の略で、後ほど詳しく説明します)、QPSK などがあります。これらの方式は、さまざまなアプリケーションに適しています。

光通信と無線通信は、高次変調へのアプローチが異なります。低次変調では、送信に対する要件がそれほど厳しくありません*6-+当初は16QAMとQPSKに重点が置かれていました。16QAM-PCSの導入により、競争が激化しました。

当初は、「東西コンピューティング」について言及されておらず、通信事業者は 400G では長距離伝送は不要であると信じていました。そのため、より成熟したコスト効率の高い低シンボル レート コンポーネントが、業界標準となった 16QAM などの高次変調方式と組み合わせて使用​​されました。

しかし、伝送距離の要件が1000km以上から数千kmに増加し、128Gbaudシンボルレートコンポーネントが急速に成熟したため（これにより、 800Gbps DCN シナリオでは、QPSK が目立つ条件が作成されました。

QPSK は 16QAM-PCS に比べて非線形性に対する許容度が高く、ファイバーへの発射パワーを適切に増加させることができます。さらに、QPSK の後方 OSNR (光信号対雑音比) 制限は 16QAM-PCS よりも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、送信中にフィルタリング コストがほとんど発生しなくなります。

これらの利点により、QPSK はバックボーン ネットワークや DCI の業界推奨の選択肢としてますます普及しています。

最初の 2 つのシナリオでは、都市部または地方でのアプリケーションが検討の焦点となっていました。3 番目のシナリオでは、帯域幅の拡張が検討されます。

帯域幅と変調は、主に単一チャネルの速度に影響します。周波数スペクトルが十分に広ければ、単一のファイバーで複数の波を伝送できます。単一ファイバーの帯域幅を計算する式は次のとおりです。

単一ファイバー帯域幅 = 単一チャネル帯域幅 × チャネル数

たとえば、QPSK 400G のチャネル間隔は 150GHz です。従来の C バンドと拡張 C バンドでは、帯域幅の要件を満たすのに不十分です。

そのため、合計 6THz の帯域幅を提供する C6T+L12T の使用へと徐々に移行しています。それぞれが 80G で動作する 400 チャネルを使用すると、32 本のファイバーの容量は 16Tbps になります。地方での使用のために距離を犠牲にする場合は、QPSK または 48QAM-PCS を使用すると、容量をさらに XNUMXTbps まで増やすことができます。

帯域幅の拡張に関する主な課題は、機器がそれをサポートできるかどうか、またコストが制御可能かどうかです。問題となる機器には、光の受信と送信、および光スイッチングと増幅の側面を含む ITLA、CDM、ICR、EDFA、WSS が含まれます。

帯域幅の拡張により、統合の問題も発生します。

現在、帯域幅の拡張は、2 つのシステム (C と L) を単純に結合することに似ています。これらのシステムは独立して動作し、結合された波を介して送信されます。宛先に到達すると、それらは多重化解除され、個別に処理されます。

このアプローチにより、体積が大きくなり、消費電力が増加し、設計が複雑になります。したがって、業界では、単一のシステムでさまざまな帯域幅の拡張をサポートできるようにコンポーネントを統合し、真のシステム統合を実現する方法を研究する必要があります。

変調器や光学デバイスに加えて、光ファイバーにも注意が必要です。

現在主流となっている光ファイバーは G.652D 光ファイバーです。G.400D 光ファイバー上の 652G QPSK は EDFA を使用して増幅され、最大 1500km の伝送距離を実現します。

業界での長年の検証を経て、G.654E ファイバーが後継として確立されました。より優れた性能を持つ G.654E ファイバーを同じ条件で使用すると、400G QPSK の伝送距離が 30% 以上増加します。

G.654E ファイバーはすでに大量生産が可能になっており、長距離バックボーン回線に導入される予定です。G.654 シリーズの低損失ファイバーの一部は、長距離の海洋横断ケーブル システムに好まれる選択肢となっています。

業界では、従来のファイバーに加えて、マルチコアファイバーと中空コアファイバーが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、複数のコアを挿入することで単一のファイバー内で空間分割多重化する形式で、低変調形式を採用して光ファイバーの容量を大幅に増加させます。

中空コアファイバーは、ファイバーを中空にし、ガラスコアを空気に置き換えることで、さらに一歩進んだものです。

中空コアファイバーは、容量が大きく、遅延が少なく、伝送損失が少なく、非線形性が極めて低いことが実証されており、光通信において大きな可能性を秘めていることが業界で一致して認められています。

800Gまたは1.6T

400G の商用展開後の次のステップは、技術標準システム内で 400G を超える (400G を超える) 技術に重点を置くことです。

業界では現在、800Gを追求するか、 1.6T.

より高速な速度を実現するためには、「変調方式 + ビットレート」のさらなる発展が必要です。たとえば、130GBd 以上のビットレートは避けられない方向です。ビットレートがさらに高くなると、成熟した産業チェーンを形成するために、対応する機器の進歩が必要になります。

400G を超えると、QPSK 変調では不十分となり、現在業界では 16QAM 変調が広く受け入れられています。

帯域幅もさらに拡張する必要があります。C+L の基盤を基に、S バンド、U バンド、E バンドなどへの拡張を検討する必要があります。これにより、合計帯域幅は 12T+5T または 17THz になります。

さまざまな要因を考慮すると、単一のファイバーで 100Tbps を超える単方向伝送速度を実現できると考えられます。

データセンターの内部ネットワークでは、800G（シングルチャネル動作で100GBdを超えるビットレートに基づく）がすでに商用化されています。シングルチャネル速度200G、400G、800Gは時間の問題であり、この分野の進歩は国際的に速いです。

容量が飛躍的に増加し続けるにつれて、技術的な課題も増大します。光通信の開発は、デバイスやチップ、プロセス技術、材料などのコンポーネントに大きく依存しています。

電力消費、安全性、メンテナンスなどに関する要件を満たすために、製造プロセス、アーキテクチャ、パッケージング、人工知能、デジタルツインにも依存が広がります。

産業チェーン内の上流部門と下流部門には、まだ多くの作業が残っています。

今後の道のりはまだまだ長い。

製品概要

光通信は社会全体のデジタル動脈です。長年にわたり、人々は多くの技術（5Gを含む）に疑問を抱いてきましたが、光通信は社会の発展に差し迫ったニーズであるため、誰も疑問を抱くことはありません。

人間のデータトラフィックが増加する傾向は、今後数十年にわたって変わりません。人工知能技術の急速な発展により、この傾向はさらに加速するでしょう。

現在の光通信の開発では需要を満たすことができません。これは、企業が利益を上げるために研究開発にリソースを投資するインセンティブがさらに高まることを意味します。