トップオブラックでどこまで行けるか？

以前のブログで、SFP直接接続ケーブル（DAC）が、SFP28 DACを介した25ギガビットのダウンリンク速度と、新興のSFP56 DACによる50ギガビットの可能性により、トップオブラック（ToR）スイッチからサーバーへの展開において、将来的にもほとんどのエンタープライズサーバー速度をサポートすることについて議論しました。しかし、実際には大規模なクラウドおよびエンタープライズデータセンターではすでに100ギガビットのサーバー速度が必要とされており、将来的にはさらに高速な速度が求められると予想されています。

しかし、ToR展開は次世代の速度でスイッチからサーバーへのリンクを引き続きサポートするでしょうか？技術と主要な考慮事項についてより詳しく見てみましょう。

どのようにしてそこに到達するのか？

より高速な伝送速度をサポートする能力は、データをデジタル信号に変換するために使用される二進エンコーディング方式と密接に関連しています。エンコーディングの物理的な背景には深入りしませんが、本質的にはデータを離散的な電圧レベルを通じてバイナリビット（つまり、1と0）に変換するプロセスです。データ伝送で長年使用されてきた最も一般的なエンコーディング方式は非ゼロ復帰（NRZ）で、2つの異なる電圧レベルを2つの二進数字に使用し、正の電圧が「1」を、負の電圧が「0」を表します（2レベルパルス振幅変調、またはPAM2とも呼ばれます）。NRZエンコーディングは過去数十年で大きく進化し、主にデータセンターリンクにおいて1、10、25 Gb/sのビットレートをレーンごとにサポートするために使用されています。

小型フォームファクタプラガブル技術を見ると、それぞれ10ギガと25ギガをサポートする単一レーンのSFP+とSFP28高速インターコネクトはNRZエンコーディングに基づいています。より高速な場合、40ギガと100ギガをサポートする4レーンのQSFP+とQSFP28インターコネクトもNRZに基づいています – QSFP+はレーンあたり10 Gb/sのビットレート、QSFP28はレーンあたり25 Gb/sのビットレートです。技術的には、NRZは50 Gb/sのビットレートをサポートできるため、単一レーンのSFPインターコネクトが50ギガをサポートし、4レーンのQSFPインターコネクトがNRZエンコーディングを使用して200ギガをサポートすることは論理的に思えます。しかし、25 Gb/sを超えるNRZ速度では、チャネル損失が問題になります。ここで4レベルパルス振幅変調、つまりPAM4が登場します。

PAM4エンコーディングは、2つの代わりに4つの電圧レベルを使用することで、NRZと同じ信号期間で2倍のビットレートを提供し、チャネル損失の増加なしに50および100 Gb/sのビットレートをサポートします。小型フォームファクタプラガブル技術では、PAM4により50ギガ用の単一レーンSFP56インターコネクトと200ギガ用の4レーンQSFP56インターコネクトが実現しました。PAM4はまた400ギガアプリケーションを可能にするものです – 高密度8レーンQSFP-DDフォームファクターはPAM4の50 Gb/sビットレートに依存して400ギガを達成します（つまり、50 Gb/s X 8レーン）。これはスイッチ間展開に理想的です。残念ながら、PAM4が提供する増加したスループットにはコストがかかります。

FECとは何か？

PAM4エンコーディングは、NRZよりもはるかにノイズの影響を受けやすいです。パフォーマンスを向上させ、増加したノイズによって引き起こされる可能性のあるエラーを相殺するために、PAM4信号は高度な前方誤り訂正（FEC）を使用します。FECは、受信機がチェックしてエラーを修正し、信号の再送信なしに元のデータを復元するために使用できる冗長データを追加することで機能します。PAM4にはFECが必要ですが、これにより通常100〜500ミリ秒（ms）の順序で遅延が追加されます。

舞台裏では遅延を最大50%削減しようとする低遅延FEC開発が行われていますが、一部のアプリケーションが単純にこの遅延を許容しないという事実は変わりません。金融取引、エッジコンピューティング、インタラクティブゲーム、ビデオ会議、仮想および拡張現実、人工知能、リアルタイムモニタリング、データ分析などのアプリケーションでは、100 msを超える遅延がパフォーマンスに影響を与える可能性があります。例えば、ゲームでは100 msを超える遅延はプレイヤーにとって顕著な遅れを意味します。これらのアプリケーションをサポートしようとするデータセンターにとって、スイッチからサーバーへの接続における遅延は考慮すべき点です。

PAM4によるFECの追加遅延のため、現在最高速かつ最低遅延のオプションは、NRZを使用し、3メートルまでFECを必要としない25 Gb/sビットレートで100ギガをサポートする4レーンQSFP28 DACです。ほとんどのエンタープライズデータセンターはSFP28 DACを使用した25ギガサーバー接続への移行を始めたばかりですが、4レーンQSFP28 DACは、新興のリアルタイムアプリケーションをサポートするための高速・低遅延の100ギガサーバー接続への移行を可能にします。

どのような選択肢がありますか？

既存のNRZエンコーディングについて、Siemonは現在、データセンターで10から100ギガビットのスイッチからサーバーへのリンクをサポートするための高速インターコネクトの使用に関していくつかのオプションを提供しています。これには、DACを使用したキャビネット内ToR展開向けの短距離（1〜3メートル）リンクでの直接接続や、AOC（アクティブ光ケーブル）を使用したキャビネット間展開（例：列末）向けの長距離（1〜20メートル）リンクが含まれます。1つのスイッチポートが複数の低速サーバーに接続するブレークアウトアプリケーションでは、SiemonはDACとAOC両方のさまざまなハイブリッドブレークアウトアセンブリも提供しています。以前のブログで強調したように、DACとAOCを選択する際は、密度、距離、消費電力、スケーラビリティ、相互運用性、そして全体的なコストと可用性を考慮することが重要です。Siemonの現在の提供には以下が含まれます：

• 10ギガリンク用のSFP+ DACとAOC
• 25ギガリンク用のSFP28 DACとAOC
• 40ギガリンク用のQSFP+ DACとAOC
• 100ギガリンク用のQSFP28 DACとAOC
• 4X10ギガブレークアウトリンク用のQSFP+から4 SFP+ DACとAOC
• 4X25ギガブレークアウトリンク用のQSFP28から4 SFP28 DACとAOC

今後の展開

PAM4エンコーディングの導入により、DACとAOCは将来的に200および400ギガリンクを実現します。Siemonは市場動向を注視しており、これらの高速スイッチからサーバーへのリンクが実現する際にPAM4高速インターコネクトを導入する計画があることをご安心ください。今後注目すべきPAM4オプションには以下が含まれます：

• 200ギガリンク用のQSFP56 DACとAOC
• 2×200ギガブレークアウトリンク用のQSFPDDから2 QSFP56 DACとAOC

そしてそれだけではありません。PAM4からNRZへの変換技術をAOCと共に使用して、QSFPDD-QSFP28ハイブリッドアセンブリを使用した4X100ギガブレークアウトアプリケーションをサポートすることができますが、コストは常に重要な要素です。そのため、QSFPDDから2レーン（つまり倍密度）SFPインターフェースとPAM4 50 Gb/sビットレートを使用したDACによる、より費用効率の高いPAM4-PAM4ブレークアウトアプリケーションの開発が進行中です。しかし、SFP-DDとDSFPのどちらの倍密度SFPインターフェースがこの4X100ギガブレークアウトソリューションの主要コネクタになるかはまだ不明確です。では、これらすべてがあなたのデータセンターにとってどのような意味を持つのでしょうか？

重要なポイントは、PAM4エンコーディング技術の導入により、DACとAOCが10から400ギガの直接リンクをサポートできるようになったことです。これには、新興のリアルタイムアプリケーション向けにNRZエンコーディング技術を使用する最低遅延の100ギガオプションであるQSFP28 DACも含まれます。つまり、DACを使用したToRスイッチからサーバーへの展開は今後も継続し、必要な場所に到達できることを意味します。