200G QSFP56とQSFP-DDの比較：フォームファクターと変調技術の詳細な比較

近年、光通信とインターネットは猛烈な勢いで拡大しています。ユーザーが求める帯域幅は増大し続け、ネットワークトラフィックは急増し、通信バックボーンネットワークの容量は年間50%から80%の割合で拡大しています。こうした動きに対応するため、光通信システムの伝送速度は、初期の10G、25G、40G世代から、現在の100G、200G、400Gレベルへと継続的に向上してきました。

100G光トランシーバーは依然として主流のソリューションですが、市場はもはやそれだけでは満足していません。消費電力を削減しながら、より小型の機器により多くのポートを収容する必要性により、より高速な伝送技術の開発が進みました。これが、200Gおよび400G光トランシーバーが非常に重要である理由です。これらは前世代に比べて帯域幅密度とエネルギー効率の面で大きな利点を提供し、データセンターやバックボーンネットワークの重要なアップグレード方向となっています。

本日の記事では、注目が高まっている話題である200G光トランシーバーについて説明します。これは単に速度を2倍にするほど単純なものではなく、性能、アーキテクチャ、アプリケーションの各レベルにおける包括的な進化です。

200G光トランシーバー入門：QSFP56 vs QSFP-DD

その名が示すように、200G光モジュールは、200Gbpsの伝送速度に対応する高速光通信モジュールです。現在、主流のフォームファクタは200G QSFP56と200G QSFP-DDの2つです。

QSFP56はQuad 50G Small Form Factor Pluggableの略称で、40G QSFP+および100G QSFP28を発展させた規格です。200G Ethernet環境向けに開発され、4つのチャネルを備えており、各チャネルは50Gから56Gb/sの速度で動作します。QSFP56は、NRZ符号化の代わりにPAM4変調を使用するため、従来のバージョンよりも優れています。これにより、同じ帯域幅でより多くのデータを送信できます。一般的なケーブルの種類には、QSFP56 SR4（短距離マルチモード）とQSFP56 FR4（長距離シングルモード）があります。このシリーズのモジュールはデータセンターのアップグレードで広く使用されており、インターフェースの互換性を維持しながら帯域幅の利用効率を大幅に向上させます。

もう1つのタイプはQSFP-DDで、Quad Small Form-factor Pluggable Double Densityの略です。IEEE 802.3bsおよびQSFP-DD MSA規格に準拠しています。"Double density"とは、標準のQSFP28と比較してインターフェース数が2倍であり、より高い信号速度をサポートすることを意味します。このモジュールは、NRZ変調を使用した25G x 8チャネルで200G伝送を実現でき、PAM4変調を使用した50G x 8チャネルでは最大400Gの総伝送速度を実現できます。これらの特徴により、QSFP-DDは高性能コンピューティング、クラウドネットワーク、大規模バックボーン伝送システムで広く使用されています。

総合的に見ると、QSFP-DDは400Gネットワークに対応している一方、QSFP56は現在の200G Ethernetアプリケーションにより適しています。低消費電力、シンプルな熱設計、成熟したインターフェースを備えており、現在、200G光モジュールで最も広く使用されているフォームファクターです。

パッケージングとポート密度の比較

200G QSFP56（4×50G）

その QSFP56モジュール 従来のQSFPモジュールと同じフォームファクターを維持し、寸法は約70mm × 18mm × 13mmです。それぞれのデータレートが50Gbpsの4つのチャネルを使用し、合計帯域幅は最大200Gbpsです。この設計は性能とサイズのバランスに優れ、小さなスペースで大量のデータを処理できます。たとえば、標準的な1RUラックには最大36個のQSFP56ポートを搭載できるため、高い帯域幅と多数のポートが求められるネットワーク環境に適しています。

200G QSFP-DD（8×25G）

QSFP-DDはやや大型で、寸法は87mm × 18mm × 13mmです。8つの高速チャネルを備え、各チャネルは最大で毎秒500億ビット（50 Gbps）に対応し、合計で毎秒4,000億ビット（400 Gbps）を処理できます。200Gアプリケーションでは通常、これらのチャネルのうち一部しか使用されませんが、そのサイズにより400Gネットワークへ容易に移行できます。より高密度な設計により、1RUラックには最大64個のQSFP-DDポートを収容でき、QSFP56のほぼ2倍のポート密度を実現します。

総合的に見ると、どちらのモジュールも高速データ通信シナリオ向けに設計されており、優れたプラガブル機能を備えています。QSFP56はより軽量で、消費電力が少なく、導入コストも管理しやすくなっています。QSFP-DDは、帯域幅を拡張する必要があるデータセンターに適した選択肢です。設計方法や実現できる機能は異なりますが、どちらも200G光モジュールの普及に貢献しています。

変調技術の比較

200G QSFP56（PAM4変調）

QSFP56モジュールには、データを送受信するための4つのチャネルがあり、それぞれ最大56 Gbpsの速度に達します。PAM4技術により、各信号サイクルでより多くの情報を伝送できるため、データ伝送速度が大幅に向上します。PAM4は現在、200G光モジュールで最も一般的なソリューションです。つまり、使用する帯域幅を抑えながら、同時により多くのデータを送信できます。また、従来と同じ信号周波数を使用します。

200G QSFP-DD (NRZ/PAM4変調)

QSFP-DDモジュールは8レーン構造を採用しており、各レーンはNRZで最大25 Gbps、またはPAM4変調で最大50 Gbpsを伝送します。NRZモードで動作する場合は合計200 Gbpsの帯域幅を実現し、PAM4では最大400 Gbpsまで向上します。このデュアルモード機能により、QSFP-DDはさまざまなネットワーク構成や進化する速度要件に柔軟に対応できます。

従来のNRZ（非ゼロ復帰）変調と比較して、PAM4信号は同じ帯域幅で2倍のデータを伝送できます。元の2値信号を4値に拡張することで、PAM4はシンボルレートを半減させ、伝送損失を効果的に低減します。この特長により、PAM4は高速光通信における重要なブレークスルーとなり、200G以上の速度に対応可能な光モジュールの技術的基盤を築いています。

アーキテクチャソリューションの比較

200G QSFP56 — DSPソリューション

QSFP56は通常、PAM4と呼ばれる変調方式を使用し、4x50Gチャネル構成で最大200Gb/sの速度を実現できます。PAM4は単位帯域幅あたりにより多くのデータを伝送できますが、ノイズや歪みに対してより敏感です。そのため、信号が適切に復元されるようにデジタルシグナルプロセッサ（DSP）が必要です。DSPはリンクの耐障害性を高め、パフォーマンスを最適化しますが、追加の消費電力とコストが発生するため、設計時にはパフォーマンスとエネルギー効率のバランスを取る必要があります。

200G QSFP-DD — 完全アナログアーキテクチャ

QSFP-DDの一般的な完全アナログ実装では、NRZ変調を使用し、8x25Gで動作します。このソリューションは、複雑なデジタルシグナルプロセッサ（DSPs）を必要とせずに、信号を良好な状態で伝送できます。つまり、システムはDSPベースのソリューションとほぼ同等の速度を実現します。完全アナログ設計は、消費電力が少なく、製造コストも低いため、デジタル設計より優れています。これは、構造がシンプルで、部品点数が少ないためです。そのため、遅延が問題となる状況や、エネルギー効率が重要な状況に適しています。

後方互換性の比較

QSFP-DDの倍密度設計は4レーンおよび8レーン構成をサポートし、QSFP+、QSFP28、QSFP56との下位互換性があるため、速度の異なるデバイス間のスムーズな移行が可能です。QSFP56もQSFP+およびQSFP28と互換性があり、40G/100Gから200Gへのより柔軟なアップグレードパスを提供することで、コスト、消費電力、将来の拡張要件に基づいて導入に最適なソリューションを選択できます。

200G QSFP56製品紹介

200G QSFP56 SR4

その 200G QSFP56 SR4 モジュールは、マルチモードファイバーをベースとする全二重光モジュールです。4つの独立した送受信チャネルを備え、各チャネルは最大53.125 Gb/s、総帯域幅は200 Gb/sです。このモジュールは850nm波長のパラレル光設計を採用し、70メートルのOM3マルチモードファイバー（または100メートルのOM4ファイバー）に対応しているため、短距離の高速相互接続に最適です。

インターフェースは、標準的なマルチモード光ファイバーパッチケーブルと互換性のあるMTP/MPO-12 APCコネクタを使用しています。このモジュールは、高速信号の入力および出力用に38ピン電気コネクタを備えています。SR4モジュールは、コンパクトな設計、低遅延、低消費電力を実現しており、データセンターにおけるキャビネット間相互接続やアグリゲーションレイヤー用途で一般的に選ばれています。

200G QSFP56 FR4

200G QSFP56 FR4モジュールは、中距離および長距離光通信向けに設計されており、4波長多重化（CWDM）技術を採用しています。4つのEMLレーザーを使用して、4x50G PAM4電気信号を、中心波長が1271nm、1291nm、1311nm、1331nmの4つの光信号に変換します。これらは、ITU-T G.694.2規格で定義されているCWDM波長範囲に対応しています。

光学部にはデュプレックスLCコネクタを使用し、さらに38ピンの電気インターフェースを備えているため、最大2 kilometresの距離まで信号を伝送できます。FR4モジュールは、機器室間やキャンパスレベルのネットワークを接続する用途では、SR4モジュールよりも優れています。消費電力を抑えながら、より長距離にわたって情報を伝送できます。これは、200G QSFP56シリーズの中でも、より幅広い用途に使用できる選択肢の1つです。

結論

現在、400G EthernetではQSFP-DDが主流ですが、これはQSFP56が時代遅れであることを意味するものではありません。帯域幅要件がまだ400Gに達していないデータセンターにとって、200G QSFP56光モジュールは、引き続き信頼性と効率性に優れたソリューションです。性能、消費電力、互換性の間で優れたバランスを実現しており、中規模から大規模のネットワークにおける帯域幅アップグレードの有力な選択肢となります。

400Gへの段階的な移行を計画している場合、200G QSFP-DD光モジュールは、より費用対効果の高いソリューションとなります。このフォームファクターは、将来のより高速なネットワークアーキテクチャと互換性があり、既存システムの投資価値を維持しながら、将来的な400Gへのスムーズな拡張を可能にします。つまり、QSFP56は現在の安定した運用環境に適している一方、QSFP-DDは次の段階に向けた移行用の選択肢であるといえます。