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2025-09-11 07:35:00
銅ケーブルは、AIおよびHPCデータセンターの内部でデータを移動するための主力であるが、ファイバーはかかとを挟んでいる。
光学系は、波長分割多重化（WDM）、さまざまなモードの使用、および偏光の3つの帯域幅の乗数をもたらします。それぞれがより長い距離の光学リンクに役割を持っていますが、データセンターではトレードオフは異なります。 WDMは帯域幅を高める態勢が整っているように見えますが、他のオプションは実装が難しく、まだ必要ない場合があります。
帯域幅乗数
最も単純な光信号は、伝送前に変調されたコヒーレントレーザービームです。このセットアップでは、帯域幅は変調によって決定されます。ライトビームは、信号のキャリアとして機能します。そのビーム自体には、帯域幅とは別の周波数があります。
この基盤により、3つの現象により、その帯域幅に整数を掛けることができます。
- WDMは、単一のファイバーで複数のラムダのセットアップを複製します。 「同じ繊維では、さらにビットを詰め込むことができます」と、SynopsysのインターフェイスIPの製品管理ディレクターであるPriyank Shuklaは説明しました。 「複数の平行繊維がある必要はありません。」これにより、さまざまな色の異なるチャネルが作成され、乗数は使用される色の数です。
- 一部の繊維の光は、さまざまなモードで「振動」することができます。これは、ギターのひも、トランペット、またはChladniプレートが行う方法です。異なるモードを個別に変調できる場合、各モードはチャネルになります。帯域幅には、使用されるモードの数を掛けます。
- 横方向の電気（TE）と横方向の磁気（TM）と呼ばれる2つの偏光が可能です。それぞれが個別に変調されている場合、これにより帯域幅が2倍になります。
モード、偏光は乱雑になります
モードを使用するには、単一モードファイバー（〜10 µm）よりも直径が大きい（> 50µm）のマルチモードファイバーが必要です。より大きな「チューブ」を使用すると、より多くのモードを伝播できます。それはより大きな繊維であるため、光を入力して出入りする方が簡単であるため、費用のかかるソースとレシーバーを使用できます。これは、VCSELを非常に短いリンクのソースとして使用してデータセンターで使用されることがあります。
「さまざまなファッションで光を刺激するので、さまざまなモードに波があります」とシュクラは言いました。 「これは同じファイバーで、より多くのデータを詰めることができることを意味します。VCSELはマルチモードファイバーで非常にうまく機能し、VCSELは間違いなく最も安価なテクノロジーです。」
しかし、モードは相互に独立していません。 「光をマルチモードファイバーに送り、長い間伝播すると、多くの摂動や環境相互作用の下で、最終的にはその光ファイバーの空間モードを横切る光の集団がボーズエインシュタイン分布に続き、さまざまなモード間の結合と散乱があります。 「だから、これらのモードの信号を本当に注意深くエンコードした場合、私はそれをすべてにスクランブルしただけで、それを元に戻す方法がわかりません。」
それは、WDMが、ある程度の遠くを越えて物事を飾ることなく帯域幅を高めるためのより堅牢な方法として示唆しています。 「WDMに行き始めると、より多くのシングルモードファイバーが表示され始めます」とShukla氏は言います。
モードも独立して変調する必要があります。 Volantis Semiconductorの創設者兼CEOであるTapa Ghosh氏は、次のように述べています。
さらに、VCSelは他のレーザーよりも線形ではないため、補償が困難になります。 「シングルモードファイバーを使用すると、直接変調レーザー（DML）など、さまざまな種類のレーザーで駆動でき、補償が容易です」とShukla氏は述べています。
一方、偏光は同じ問題のいくつかに苦しんでいます。特に、TEとTMの信号は速度が異なり、受信側に課題を生み出します。 「ほとんどの光学システムは、偏光に依存しないものではありません」とGhosh氏は述べています。 「確かに、導波路はそうではありません。TEモードとTMモードには、偏光の方向、異なる損失、異なる屈折指数が伝播されます。および格子カプラーは偏光独立していません。」
「この繊維は非常に高価なので、全国または海の下で繊維を実行しているときに、これらの極端な多重化技術を使用したい」とハリスは語った。モードを採用するためには余分な努力が必要であり、そこで偏光が理にかなっています。しかし、ファイバーが安価で豊富なデータセンターで防御することは困難です。
WDMは簡単になります
WDMはデータセンターで大部分が避けられており、シングルモードのシングルカラーファイバー（または非常に短いリーチのためのマルチモードファイバー）が支配的です。ホールドアップの一部は、WDMを実装するコストです。各色には独自のレーザーが必要であり、各レーザーからの光を同じファイバーに供給する必要があります。 「ほとんどのアーキテクチャを使用すると、何らかの競合者が必要です。これはすでにリンク全体のエネルギーの約3倍、エンドツーエンドです」とGhosh氏は述べています。
今日の変調技術には、マッハゼンダーモジュレーター（MZM）または電気吸収モジュレーター（EAMS）のいずれかが含まれます。 「これらはニオベートリチウムまたは他の材料システムで作られています」とハリスは説明しました。 「それらはまったく波長選択的ではありません。彼らは何も調整することはできません。したがって、これらの非常に喪失した大きなMUX回路とペアリングする必要があります。」
何が変わったのか
マイクロリング共振器の出現は、WDM信号の個々の色を調節および復調する手段です。これらのリングは小さく、それぞれ異なる色に調整できます。
「マイクロリングモジュレーターを使用しています」とハリスは言いました。 「そのモジュレーターは2つの目的を果たしています。MUXとDEMUXを実行し、データをエンコードしています。したがって、個別のMUXとDEMUXは必要ありません。変更を行うデバイスにすでに組み込まれています。」
マイクロリング共振器には2つのコントロールが必要です。1つは光を調整するため、もう1つは波長を調整して安定化するためです。 「そのうちの1つはデータのエンコードに使用されており、50 GHz以上のように非常に高速です」とHarris氏はLightmatterのソリューションを説明していました。 「もう1つは非常に遅く、環境の変化に反応するために使用されます。それを使用して、安定化のためにリングを制御します。」
変調は、血漿分散を使用して達成されます。 「プラズマ分散は、光学経路に到達する電子と穴の物理学に基づいています」とハリスは言いました。 「事実上、それはリングにあるダイオードのように見えます。これはよく理解されている業界の原則です。
モジュレーターとのエレクトロニクスインターフェースについては、「セルデスはその出力をリングの高速入力に直接駆動する」とハリスは付け加えた。
図1に示すように、送信すると、複数の色を持つ変調されていない連続波ビームがマイクロリングを通過します。各マイクロリングは、メインビームからその色をタップし、その色を調節し、それをビームに戻します。その結果、変調と多重化の両方を実行し、これらの機能の個別のコンポーネントの必要性を排除します。
受領時に、変調信号はマイクロリングを通り過ぎ、それぞれが受信ビームからその色を引き出します。したがって、マイクロリングは、WDMビームを反転させ、各信号を適切な宛先に送信します。
この配置により、低電力データの動きが可能になります。 「レーザー、セルデス、すべてのLightmatterのフォトニクスのすべてを含むリンクは、4.6 PJ/ビットになります」とハリスは言いました。 「プラグ可能なトランシーバーは15〜20 PJ/ビットを使用しているため、3〜4倍の総発電量です。」
WDMガードバンド
WDMは、レーザービームでの複数の色の使用を一般的に指します。データセンターについて今日議論されていることは、通常、色の数が限られているため、粗いWDM（CWDM）と見なされます。それは通常、10代で頂点に達します。密度の高いWDM（DWDM）は、おそらく100を超える色をさらに多くの色に配置できます。これは、チャネルの周波数幅を絞り込んで同じ周波数範囲に収まるように可能になります。
データセンターに移動するファイバーの量を考えると、最も費用対効果の高いアプローチが最も広く使用されているアプローチをアピールします。 DWDMは構築するのがより高価であり、データセンターがこれまでWDMをまったく展開していないことを考えると、おそらく必要ではありません。 Ayar Labs、Lightmatter、Nvidiaなど、いくつかの企業がデータセンターWDMに取り組んでおり、そのすべてが最近のHot Chips会議で作業を発表しました。
WDMの課題の1つは、温度に関するレーザーの安定性に関連しています。典型的なインストールには、色ごとに個別のレーザーがあります。しかし、これらのレーザーのそれぞれは、いずれかまたは他の隣接する色に向かってわずかに漂流する可能性があり、それらはそれぞれ独立してドリフトします。そのため、チャネル波長ウィンドウには、色が互いに漂うのを防ぐためのガードバンドが含まれています。
コームレーザーは、1つのソースからすべての色を生成するため、この問題の解決策として議論されることがあります。つまり、それらがドリフトすると、それらはすべて一緒に漂流し、ガードバンドの一部を減らして使用可能な帯域幅に戻すことが可能になります。
しかし、櫛の課題は効率性です。 「コームは良い考えではありません」とハリスは言いました。 「その理由は、壁プラグからライトアウトまで非常に低い変換効率があるからです。レーザーの配列の後にマルチプレクサを置く方がよいです。」
ただし、独立したレーザーを積極的に制御および安定させて、漂流を減らすことは可能です。 LightMatterは、ガイドレーザーソースでこれを行います。 「レーザーはすべて積極的に制御され、監視され、安定化されており、統合されています」とハリスは言いました。
ただし、信頼性は依然として問題です。 「レーザーを加熱すると、フィットします [failures in time, a reliability metric] ハリスは説明しました。
これにより、レーザーがどこに配置されるかに関する決定が促進されます。現在、共同パッケージ化された光学系（CPO）のほとんどのビューには、パッケージ内のダイの熱から分離し、失敗した場合に交換可能にすることにより、パッケージの外にレーザーが設置されています。その後、ファイバーはそのレーザーライトをパッケージに持ち込みます。このようなシナリオは、すべての色が単一のファイバーに搭載されるため、WDMで機能します。
CPOが最終的にレーザーソースをパッケージ内に配置すると、すべての色がパッケージ内のレーザーを必要とするため、WDMははるかに困難になります。その場合、シングルカラーの管理が簡単です。 「シングルカラーは、パッケージングの側から理にかなっていると思われるものです」と、Advanced SystemsのグループリーダーであるAdvanced Systemのエンジニアリングのエンジニアリングで効率的な電子機器の部門長であるAndy Heinig氏は述べています。これは、レーザーをパッケージに移動するコストとして帯域幅が大幅に削減されることを意味します。レーザーを分離し続けるもう1つの理由になる可能性があります。
数年で来ますが、すべてのデータセンターには来ません
データセンターのWDMは、2027年または2028年に展開用に積極的に設計されています。データセンターのワークロードには採用できますが、今日では主にHPCとAIで理にかなっています。これが今日の焦点ですが、帯域幅が要求すれば、将来他のデータセンターに移行することができます。今のところ、ほとんどのデータセンターは、できる限り、できる限り銅に固執します。
帯域幅のニーズは確かに成長していますが、それはより繁殖するクラウドアプリケーションの主要なリミッターではありません。それは間違いなくHPCとAIのリミッターです。 WDMは8色で証明されており、企業は16を実装する態勢を整えています。このため、モードと偏光はまだ実際には必要ありません。実装が難しいので幸運です。
また、ほとんどの設計ツールはフォトニクスではなくシリコンと金属に焦点を当てているため、銅は設計も容易です。高品質の設計には、導波路とフォトニックコンポーネントの構成、および導波路を介した信号品質の検証が必要です。 WDMとは、1つだけでなく、同じ導波路で複数の信号を検証することを意味します。
「私たちは、電子機器を考慮して、フォトニック側で設計できるツールを開発するためにますます取り組んでいます」と、現在Synopsysの一部であるANSYSのアプリケーションエンジニアリングのシニアマネージャーであるSandra Gelyは述べています。 「また、接続性に役立つツールもあります。これにより、チップからファイバーに接続したい場合、信号を失わないようにすることができます。」
モードと偏光は確かに光学帯域幅をもう少しぶつける可能性がありますが、WDMは多くの呼吸室を購入しました。蒸気がなくなった場合、他の乗数は輝く機会を得るかもしれません。
#データセンターのより多くの帯域幅のための光学信号の着色