LPO対CPO：次世代のデータセンター光インターコネクトを制するのはどちらか？

データセンターは成長を続けており、速度と効率がその発展の中核要素となっています。このような背景から、光インターコネクト技術の競争は熾烈な段階に入っています。レーザー位相同期発振器 (LPO) とコヒーレント位相同期発振器 (CPO) は、この分野を牽引する技術となっています。本記事では、データセンターの光インターコネクトにおけるこれら2つの技術の重要な役割をより深く理解できるよう、それぞれの特徴、利点、課題を詳しく分析します。

CPOとLPOの台頭

従来の10Gb光モジュールの消費電力は約1 W（銅線モジュールは約2 W）です。しかし、400Gおよび800G光モジュールの登場により、消費電力は急速に30 Wまで上昇しています。さらに、光モジュールの数が数十個に達すると（例：48モジュールの場合、総消費電力は48 × 30 = 1440 Wにもなる可能性があります）、その消費電力は機器全体の総消費電力の40%以上を占めることがよくあります。光通信デバイスのエネルギー消費の急増は、特にエネルギーコストの面で、データセンターに大きな負担をもたらしています。これは無視できない問題となっています。したがって、消費電力を効果的に削減し、省エネルギーを実現する方法は、業界における喫緊の課題となっています。

このため、CPOおよびLPOソリューションが登場し、光モジュール業界で急速に二大注目トピックとなっています。現在、多くのベンダーが、この技術革命の波で先行することを目指し、関連技術の開発と展開を加速させています。

CPOとは何ですか？

CPO（Co-Packaged Optics）は、光学技術とスイッチングチップを組み合わせた最先端技術です。従来のプラガブル光モジュールを不要にし、光エンジンとスイッチングチップをより近接して配置します。これにより、両者間の電気信号が高速化され、全体的な性能が向上します。CPOソリューションは従来の光モジュールより小型でエネルギー効率が高く、優れた選択肢となります。

CPO技術の発展

CPO技術の発展は、具体的に次の2つの段階に分けられます。

フェーズI：ニアパッケージオプティクス（NPO）技術

CPO技術が完全に成熟するまで、NPO技術はより導入しやすい移行手段となります。比較的短期間で低コストと低消費電力という利点を実現でき、特に初期段階のシステム開発と導入に適しています。

フェーズII：CPO技術

これは、ネットワークコストと消費電力を最小限に抑えるよう設計された、最新形態のシリコンフォトニクススイッチング技術です。CPOソリューションでは、光エンジンとスイッチングチップが同じモジュール内に高密度に実装されており、システム全体の性能とエネルギー効率が向上します。

実際には、光エンジンは主にスイッチングネットワーク内での光/電気変換を担います。最も一般的な形態はプラガブルモジュールですが、技術の進化に伴い新しい製品形態が登場しています。CPO形態ではスイッチングチップと光エンジンを単一のスロットに統合する一方、NPOではそれらを同じシステムボード上に個別に配置します。どちらも光電子モジュールを利用しますが、パッケージ位置と配線距離の違いにより、消費電力と効率性能が異なります。

CPOの利点

トラフィック量と通信速度の急増に対応するうえで、スペースの最適化とエネルギー効率が重要となるハイテク通信インフラを想像してみてください。CPO技術を組み合わせることで、より高速で信頼性の高い通信を実現すると同時に、ネットワーク技術がスマートかつエネルギー効率よく発展するための余地も確保できます。CPOの主な利点は次のとおりです。

信号インテグリティの向上

CPOは電気信号の伝送距離を短縮することで信号品質を向上させるため、必要な信号補償を抑えることができます。この進歩により、PCB設計の柔軟性が高まるだけでなく、全体的な性能も最適化され、設計の自由度と効率が向上します。

コンパクト設計、高集積

CPO技術はフォトニクス部品と電子部品を同一パッケージに統合するため、光モジュールと電子チップを別々にパッケージ化する従来の方法と比べて、システムのサイズを大幅に縮小できます。このコンパクトさは、わずかなスペースも重要となる高密度集積回路において特に重要です。

低遅延

CPOは、CMOSプロセスを使用して電子回路と光学系を統合することにより、消費電力を大幅に削減し、従来のLPO技術の効率を向上させることができます。光モジュールと電子チップの両方が同じフレームにパッケージ化されるため、信号伝送経路が大幅に短縮され、個別のパッケージング方式と比較して遅延が低減されます。

LightCountingの2022年12月のレポートによると、HPC（高性能コンピューティング）向けネットワーク速度の需要は、すでに現在の速度の10倍以上に達しています。このような需要を背景に、CPOは既存のプラガブル光モジュールアーキテクチャの消費電力を50%削減し、高速・高密度相互接続伝送の問題を効果的に解決すると期待されています。一方、国内ベンダーもCPO技術の継続的な進歩と成熟を促進するため、積極的に研究開発を進めています。

LPOとは何ですか？

LPO (Linear Drive Pluggable Optics)とは、光ファイバーモジュールにダイレクトドライブ・リニア技術を採用するソリューションを指します。従来の光モジュール設計とは異なり、LPOではDSPs (Digital Signal Processors)やCDRs (Clock Data Recovery)などの一般的な従来型コンポーネントが排除され、システムの消費電力とレイテンシーが効果的に低減されます。この設計はエネルギー効率が高く、優れた性能を発揮しますが、いくつかのトレードオフがあります。まず、エラー訂正能力が十分ではなく、他のシステムほど長距離には対応できません。そのため、LPO技術はデータセンター内などの短距離通信に適しています。特に、非常に高速な通信が必要で、100%のエラーフリーが求められない場合に最適です。

従来のプラガブル光モジュールは通常、低いBERを確保するためにDSPチップを使用して高速信号を処理しますが、これにより消費電力も増加します。ある 400G光モジュール, たとえば、7nm DSPの消費電力は約4Wで、モジュール全体の消費電力のほぼ半分を占めます。これに対し、LPOはこれらの追加コンポーネントを省くことで消費電力を削減しますが、その代わりに伝送距離と誤り訂正能力が低下します。

LPOsの利点

リニアドライブ・プラガブル・オプティクス（LPO）は、光インターコネクト分野において、データセンターの接続性を向上させ、現代のネットワークの需要を満たすのに最適な数多くの利点を提供します。以下は、LPO技術の主な利点の一部です：

ホットスワップとメンテナンスの簡素化

CPOとは異なり、LPOは光コンポーネントの従来型モジュール設計を維持しているため、干渉が少なく、保守しやすいソリューションです。CPOシステム内のコンポーネントに障害が発生した場合、通常はスイッチ全体を分解する必要があり、保守が非常に煩雑になります。一方、LPOはホットスワップに対応しているため、システムの動作を中断することなく、障害が発生したモジュールをより簡単に交換でき、ダウンタイムを最小限に抑えられます。

低遅延

LPOは従来のデジタルシグナルプロセッサ（DSP）を使用しないため、複雑な信号低減処理が不要になります。この設計により、システムの処理オーバーヘッドが大幅に低減され、レイテンシが効果的に短縮されます。これは、HPCにおけるGPU間通信のように、極めて低いレイテンシが求められる状況で特に重要です。

コスト削減

DSPに依存しないことで、LPOは消費電力と全体的な運用コストを効果的に削減します。DSP技術は現在、少数の企業（例：BroadcomおよびInphi）によって独占されており、高コストでリソースが限られた専門技術となっています。LPOがDSPに依存しないことは、こうした希少なリソースへの需要削減に役立ち、その結果、サプライチェーンの多様化の機会が広がり、市場競争力が向上します。

上流のチップメーカーからスイッチング機器サプライヤー、エンドユーザーに至るまで、あらゆる関係者がLPO (Linearly Driven Pluggable Optics)技術の開発と応用に高い関心を示していることから、その事業見通しは非常に有望であると考えられます。OFC 2023では、MacomやBroadcomなどの業界をリードする企業がリニアドライブソリューションを展示し、この技術のトレンドをさらに強く印象づけました。一方、Aristaが発表したリニアドライブソリューションは、InnoviumやNVIDIAを含む著名なスイッチベンダーから評価されており、最先端のネットワーキング用途におけるLPO技術の大きな価値について、業界で共通認識が形成されていることを示しています。

CPO vs. LPO：データセンターの光インターコネクトを制するのはどちらの技術か？

LPO技術は、短距離用途などの特定のシナリオに適した戦略的な選択肢です。LPOはDSP/CDRなどの従来型コンポーネントを使用しないため、BERの面で多少の性能上のトレードオフが生じる可能性がありますが、電力、コスト、遅延の面でもたらす利点は大きなものです。CPOとは異なり、LPOは特定の用途における効率向上とコスト削減を重視しているため、固有の長所と短所があります。

LPO技術はCPOよりもやや遅れて登場しましたが、より速いペースで市場に普及すると予想されています。CPOとLPOの違いを以下の表に示します。

CPOの将来展望と課題

CPOの将来市場は有望です

CPO技術は、光インターコネクトの高密度化に向けた新たな方向性をもたらし、100Tを超える用途での商用化が期待されています。LightCountingによると、CPOの出荷は800Gおよび1.6Tポートから始まり、2024年から2025年の間に商用化される見込みです。2026年から2027年までには、ハイパースケールクラウドサービスプロバイダー向けの短距離データ通信シナリオにおいてCPOの出荷が大幅に増加し、市場需要も大きく伸びると予想されています。CIRは、CPO市場の総収益が2027年までに$5.4 billionに達すると予測しています。

世界販売数で見ると、CPOポートの数は2023年の50,000から2027年には4.5 millionへ増加すると予測されています。2027年までに、CPOポートは800Gおよび1.6Tカテゴリーの出荷数の約30 percentを占めると予測されています。Yoleのレポートによると、CPO市場は2022年に約$38 millionの収益を生み、2033年までに$2.6 billionへ成長し、年平均成長率（CAGR）は46%になると予測されています。

CPOの課題

CPO技術は高度な光インターコネクトに新たな可能性をもたらしますが、技術の成熟度、市場導入の緊急性、ビジネスモデルの面では、依然として課題に直面しています。CPOがデータセンターの光インターコネクト分野で主流のソリューションとなるには、これらの問題に効果的に対処する必要があります。

技術的アプローチと成熟度：コヒーレント位相同期発振器（CPO）技術はまだ開発の初期段階にあり、その技術的アプローチにはさらなる改良が必要です。CPOの将来性は非常に明るいものの、まだ広範な応用の水準には達しておらず、より多くの実用事例と経験を蓄積するには、なお時間が必要です。これに対し、従来の プラガブル光モジュール 依然として市場を支配しており、CPOが主流のソリューションとしてこれらに取って代わるには数年かかる可能性があります。

導入の緊急性：3.2T光モジュールの時代には、CPO技術に対するフォームファクターとサイズの要件が高いものでした。しかし、現在の1.6T時代においても、プラガブル光モジュールは依然として成熟した主流ソリューションを提供しており、その8x200G構成はすでにほとんどの業界のニーズを満たしています。現時点では、より高速なCPOソリューションに対する需要は切迫しておらず、これによりCPOsの市場への急速な展開が遅れる可能性があります。

ビジネスモデルの課題：CPO技術の実装には、シリコンフォトニクス技術の大規模な蓄積が必要であり、その発展は関連技術のR&Dおよび生産能力に大きく依存することになります。特定のメーカーへの依存は、CPO技術の広範な普及を妨げる大きな障壁となる可能性があります。まず、シリコンフォトニクス技術の蓄積と製造プロセスの複雑さにより、CPOの生産とR&Dは少数のメーカーに集中しています。この依存により、市場で技術独占が生じる可能性があり、それが各ベンダーの競争力と技術革新に影響を及ぼします。さらに、単一ベンダーへの過度な依存は、技術開発を制限し、サプライチェーンの不確実性を高め、エンドユーザーがCPOソリューションを選択する際の柔軟性と自由度に影響を与える可能性があります。

CPO技術は大きな可能性を示している一方で、技術の成熟度、市場における緊急性、関連するビジネスモデルの確立という課題に依然として直面しています。

LPOの発展の見通しと課題

LPO業界の進展: 国内外での並行展開

新たな光インターコネクトソリューションであるLPO技術は、2024年末までに量産化される見込みです。この技術が進化を続けるなか、世界の主要ベンダーはすでに関連製品を発売しています。Macom、Semtech、MaxLinearなどの大手ベンダーは技術開発で大きな進展を遂げており、Broadcomも独自のLPOソリューションを積極的に推進しています。業界の専門家は、北米のクラウドサービスプロバイダーによるコンピューティングリソースの需要が高まるにつれ、Microsoft、Meta、AWS、Googleなどの大企業が、データ転送効率の向上と遅延の削減を目的として、LPOソリューションを段階的に導入すると考えています。

LPOの課題

LPO は光インターコネクトに大きな可能性を示していますが、その開発には依然として多くの課題があります。LPO 技術が市場で支持されるためには、これらの問題への対処が不可欠です。以下は、LPO が開発中に直面する可能性のある主な課題の一部です：

連携要件：LPOの導入には、LPOベンダーとスイッチメーカー間の緊密な連携が必要です。光モジュールメーカーは、業界全体の連携とイノベーションを推進するために、技術をアップグレードし、上流と下流のサプライチェーン間の緊密な連携を確保する必要があります。

短い伝送距離：LPOはDSPコンポーネントを排除するように設計されているため、BERが高くなり、信号を伝送できる距離が制限されます。LPOは、長距離伝送時には従来の光モジュールほど安定しない可能性があります。当初、LPOは数メートルから数十メートルの範囲で接続を確立できますが、将来的には伝送距離が最大500Mまで延長される可能性があります。この問題に対処するには、伝送距離を最適化し、システムの誤り訂正メカニズムを強化することが重要です。

標準化は初期段階にあります：LPOの標準化プロセスはまだ初期段階にあり、この技術の相互運用性には一定の困難が生じる可能性があります。現時点では、LPOは単一ベンダーのクローズドシステムにより適しています。マルチベンダープログラムを採用し、内部統合能力が不十分な場合、システムの非互換性や責任分担の問題につながる可能性があります。この場合、従来のDSPベースのソリューションの方が依然として有利な場合があります。

電気チャネル設計の制約：LPOは、システム側の電気チャネル設計に対してより高い要件を課します。現在、SerDesは主に112G仕様を使用しており、将来的には224Gへアップグレードされる見込みです。しかし、LPO技術では今後登場する224G SerDesの伝送要件を満たせない可能性があり、将来の大規模データ伝送アプリケーションにおける性能が制限されるおそれがあります。

結論として、LPO技術には多くの可能性と利点がありますが、上記の課題を克服して広範な用途への導入を実現するには、さらなる技術革新と業界内の協力が必要です。

結論

リニア駆動プラガブルオプティクス（LPO）とコパッケージドオプティクス（CPO）がデータセンター相互接続技術の将来的なトレンドとして台頭している一方で、プラガブル光モジュールは依然として業界標準のソリューションです。データセンターにおける高性能化と低遅延化への需要が高まり続ける中、QSFPTEKなどのベンダーは、800GプラガブルEthernetおよびInfiniBandモジュールを導入しています。これらのモジュールは、最大毎秒800 Gigabitsのデータレートを実現でき、HPCアプリケーションに不可欠な帯域幅を提供します。今後、技術がさらに進化し、業界が新技術を採用するにつれて、特にハイパースケールデータセンターや高性能コンピューティングアプリケーションにおいて、CPOとLPOが既存のプラガブル光モジュールに徐々に取って代わる可能性があります。