コパッケージドオプティクス：データセンターのパフォーマンスを引き出す

ハイパースケールデータセンターでは、従来のチップとポート間の接続によってスループットとスケーラビリティに構造的な制限がかかるため、パフォーマンスの壁に直面しています。データセンターの容量に対する世界的な需要は2030年までに3倍以上になると予測されているため、この課題はさらに深刻になります。

それに対して業界が編み出した答えは、光入出力（I/O）をチップに直接統合して距離の問題を解決する新しいアーキテクチャー、コパッケージドオプティクス（CPO）です。この直接的なアプローチでは、熱管理と保守性に関連する新たなエンジニアリングの障壁が発生します。新しいアーキテクチャを実現できるかどうかは、このような重要な問題を克服できるシステムレベルのアプローチによって決まります。

フロントパネルのプラガブルオプティクスは確立されたアーキテクチャーであり、AIの処理要求が熾烈になる中で、物理的な限界に達しています。従来の光トランシーバー設計では、電気信号がメインボードの特定用途向け集積回路（ASIC）からフロントパネルモジュールまで、損失の発生する銅線を経由して大きな距離を移動しなければならないという構造的な課題がありました。448Gbpsなど次世代の速度では、信号をこの経路に通そうとすると、距離による信号劣化を補うために膨大な電力が必要です。そして、その電力は最終的に廃熱として放散される結果となります。

大量の電力消費は「I/Oパワーウォール」の原因です。これは、データの移動に必要なエネルギーが、データを処理するために使われるエネルギーに匹敵し始めているという産業上の大きな問題です。それによって運用コストが上がり、熱管理が複雑になります。それと並行して、プラガブルモジュールの物理サイズによって、フロントパネルのI/O密度がハード面で制約を受けます。データレートが上がるにつれて、フロントパネルの物理スペースが不足してポートを増やせなくなってきており、その結果、フェイスプレート自体が別の同じくらい深刻な帯域幅のボトルネックになっています。

CPOは、光エンジンをメインプロセッサーと同じ基板に統合することで、光トランシーバーのアーキテクチャーを刷新するものです。この密接な統合によって電気経路が大幅に短縮され、信号の伝送に必要な電力が減少します。経路が短くなると、長距離の銅線経路に必要な高出力リタイマーやその他の信号調整コンポーネントが不要になり、光I/Oが消費する電力が大幅に削減されます。その結果、CPOはI/Oパワーウォールとフロントパネルの密度制限の課題を一挙に解決し、電力効率と帯域幅を大幅に改善できます。

しかし、統合すること自体によって、2つの主要なエンジニアリング上の障壁が生じます。 

• 光学系の主要な熱源であるレーザーを高価値のプロセッサーのすぐ隣に配置することによって引き起こされる熱管理の課題。 
• コンポーネントの故障によってプロセッサーパッケージ全体の交換が必要になる場合があるという、保守性のリスク。

CPOを実現できるかどうかは、シリコンフォトニクスによって左右されます。シリコンフォトニクスは、確立された半導体製造法を活用して光学機能をチップに統合する技術です。このアーキテクチャーの中心となるコンポーネントが変調器です。変調器は電気データを光信号に変換する装置ですが、エンジニアリング上の重要なトレードオフが伴います。

このトレードオフは、2つの主な変調器技術の関係で顕著に見られます。それが、マッハツェンダー変調器（MZM）とマイクロリング変調器（MRM）です。 

• マッハツェンダー変調器は安定性と信頼性に非常に優れていますが、物理的な設置面積が大きくなるため、CPOの密度目標と競合します。 
• マイクロリング変調器はコンパクトで電力効率に優れていますが、熱変動に非常に敏感です。熱変動は、発熱するプロセッサーの隣に配置すると避けられません。 

どちらを選択するかは、業界の大手企業の間でも意見が分かれています。例えば、BroadcomはMZMを支持しているようですが、NvidiaはCPO用途にMRMを選びました。

これら2つのアプローチの対立によって、重要な知見が明らかになりました。熱管理こそ、実現可能なCPO設計を作るうえで克服しなければならないエンジニアリング上の中心的な障壁だということです。

CPOの熱と保守性という重要な課題に対する最も効果的なアーキテクチャーソリューションは、外部レーザー光源（ELS）を使用してレーザーを分離することです。Molexはこのコンセプトを市場初となる包括的なシステムで実現し、CPOを理論図上の存在から実用的で導入可能な現実の形へと変えました。

熱の課題の解決 
外部レーザー光源相互接続システム（ELSIS）は、プロセッサーと光エンジンから高出力レーザーを物理的に分離する包括的なソリューションです。レーザーを別のプラガブルモジュールに収容することで、熱の課題に直接対処します。この設計によって、高価値プロセッサーに最も激しい熱負荷がかからないようにし、熱管理をシンプルにします。

保守性リスクの軽減 
モジュール式設計では、熱の問題が解決されるだけでなく、レーザーモジュールの現場での保守が簡単になるため、保守性リスクも軽減されます。ELSISはブラインド嵌合インターフェースを採用しています。このインターフェースでは、すべての光接続と電気接続が装置内で発生するため、レーザー障害でプロセッサーパッケージ全体を交換しなければならないというコストのかかる事態を回避できます。

包括的なシステムレベルのソリューション 
この総合的なアプローチの結果として生まれたのが次の最終製品です。ELSISは、以下で構成される包括的な設計済みシステムです。 

• 電気コネクターと光学コネクター
• 圧入ケージ 
• プラガブルモジュール本体

すべてのコンポーネントが統合ユニットとして機能するように設計されており、スケーラブルで信頼性の高い導入が可能です。

CPOへの移行によって、熱管理と保守性の課題がシステムに内在するという設計哲学が大きな進化を迎えます。CPOのパフォーマンスと効率性を完全に引き出すには、レーザー、光学系、インターコネクトをまとめて1つの統合システムとして扱う必要があります。

このアーキテクチャーでは、1つの領域で障害が発生するとシステム全体が損なわれるため、実装を成功させるには、光学、電気、機械の各領域にまたがる深い専門知識を持つエンジニアリング協力者が必要です。

MolexのELSISは、このシステムレベルのアプローチを具現化したものであり、リスクを軽減しながら、次世代のデータセンターに不可欠なスケーラブルなアーキテクチャーを提供します。

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