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AIデータセンター向けにさらに高速・高密度なインターコネクトが求められるなか、エンジニアは224Gを超える速度の到来を見据えています。長距離接続は依然としてプラグ着脱可能な光ソリューションにより提供される一方で、消費電力、低レイテンシー、およびシステム全体のコストの面で大きな優位性があるコパッケージド銅ソリューションが、短距離接続向けの有力な代替手段となりつつあります。
224G技術がより広範な市場に普及し始めたばかりであるため、今後の戦略的な道筋は多岐にわたっています。コパッケージド銅の将来を考えるシステム設計者にとって、それぞれの物理層パスのトレードオフを理解することは重要な第一歩です。
224Gの先を担う3つの伝送規格オプション
適切な物理層の選択において重要なのは、アナログチャネルの難易度とデジタル信号処理の複雑さや消費電力とのバランスを見極めることです。PAM-8は業界で議論されていますが、エンジニアの間では、実用化するには複雑すぎると一般的に考えられています。その結果、有力な伝送規格として検討される選択肢は 336G PAM-4、448G PAM-6、448G PAM-4の3つとなります。
336G PAM-4
336G PAM-4は、84GHz前後の低ナイキスト周波数で、より導入しやすいチャネルターゲットを提供します。一部のハイパースケーラーは、336Gルートを、確立済みのコーデックを利用できる実用的で段階的な一つのステップと見なしています。しかし、336G PAM-4方式は、448G系の規格に比べて1レーンあたりの総スループットが低くなります。336G PAM-4の主な欠点は、あくまで一時的なソリューションの役割しか果たさず、いずれ近い将来にさらなる移行と再設計が必要になるであろうという点です。
448G PAM-6
現在、PAM-6変調方式は、448Gのデータレートを達成するための最も実用性の高い方法となっています。PAM-6方式は、110GHz強の極端なナイキスト周波数域を避けているため、現行の224Gbps PAM-4設計からの移行が比較的容易です。
しかし一方で448G PAM-6 は、信号対雑音比（SNR）要件の厳格化に加えて、2のべき乗ではないマッピングによる潜在的な相互運用性の課題を伴います。PAM-6は、6つの振幅レベルを同じ電圧スイングに圧縮する方式のため、信号アイパターンの開口部が著しく小さくなります。そのため、信号はチャネル全体でクロストーク、ジッター、非線形歪みの影響を受けやすくなります。
448G PAM-4
448G PAM-4パスは、きわめてシンプルなシンボルマッピングで光学等価性を実現できる理想的なアプローチと言えます。もし製造可能なチャネルを構築することができれば、PAM-4は1ビットあたりのコストが最も有利となります。
実用化のマイルストーンに到達するには、極めて厳しい約112GHzのナイキスト周波数を克服するために、全面的なフットプリントの再設計が必要となります。今後業界が目指すべき目標は、表面粗さやパッド清浄度に関して新たな制約を加えることなく、112GHzのターゲットを実現することでしょう。PAM-4信号そのものはデジタル領域で簡単かつクリーンに処理できますが、そのために必要なアナログ周波数の生成はハードウェア開発者にとってはるかに困難な課題となります。
112GHzチャネルの物理的現実
基本ナイキスト周波数を112GHzまで上げようとすると、インターコネクトなどの物理的な部材のシグナルインテグリティに大きな負担がかかります。ここまで速度レベルを上げるには、どの程度のSNRならば許容可能であるかを正確に見極めること、また電力を大量に消費するデジタル信号処理（DSP）への過度な依存を避けることがポイントとなります。
トレースおよびインターポーザー損失
112GHzレベルで信号を維持するには、回路基板に極めて平滑度の高い銅トレースを施す必要があります。従来のような表面の粗い銅では、高周波数信号が顕微鏡的なバンプを乗り越える必要があり、伝送パスに沿った挿入損失が大幅に増加します。一方で、超平滑タイプの銅トレースは基板剥離のリスクを高めるので、製造者は信号品質を損なうことなくトレースを固定するために特殊な接着フィルムに依存することになります。
また、極端な周波数レベルでシグナルインテグリティを維持しようとすると、より誘電正接値の低い誘電体への移行が避けられません。エンジニアは、テフロンベースの材料と従来のファイバーグラスを組み合わせて、低損失特性と必要な機械的安定性のバランスをとるハイブリッドスタックアップを頻繁に採用しています。
コネクターとケーブルの予算
接点形状または誘電体遷移におけるインピーダンスのわずかな不一致が、高速信号を劣化させる重大な反射を引き起こします。設計者は、あらゆる損失要因を発見し、排除する必要があります。信号経路をクリーンアップすることは、多くの場合、コネクターアーキテクチャを最適化し、嵌合インターフェースを最小化して信号劣化を低減することを意味します。
イコライゼーションと熱的トレードオフ
高度なデジタル信号処理では、送信側のプリエンファシスと受信側のイコライゼーションを利用して一部のチャネル障害を補正することができます。より重い処理負荷に依存すると、シリコンの消費電力が増加して熱密度が高まり、システムレベルの複雑な冷却課題が発生します。
電力消費とレイテンシーの増加により、総所有コストが競合する光ソリューションの所有コストを上回ると、大規模なデジタル信号処理はもはや現実的ではなくなります。電力負荷が高すぎる場合には、設計者はよりクリーンな物理的チャネルを採用する必要があるでしょう。
製造歩留まりのリスク
ラボでの試験運用の成功と製造可能なチャネルの違いは、厳格な工程制御が求められる点にあります。極端な周波数レベルでは、板金加工や成型加工される部品の許容公差は著しく厳しくなります。組立工程における基板の反りなどのわずかなばらつきが、SNRマージンをさらに縮め、生産全体の歩留まりを危険にさらします。
許容されるマージンが厳しくなると、接点形状や基板平面度に顕微鏡レベルの微細なばらつきがあっても、製造されたチャネルが仕様から外れる恐れがあります。ささいな組立公差が、製造工程では重大な歩留まり損失につながります。
コパッケージド銅：エコシステムのアライメント確保と市場導入
高周波銅リンクをラボでの試験運用からデータセンターラックでの実用化レベルに移行するには、製造エコシステム全体にわたる厳密なアライメント確保が重要となります。最終的に、前述の3つのシナリオのうち、必要なナイキスト周波数について許容可能なコストと電力メトリクスで製造可能なチャネルを最初に実現できたものが市場標準として確立されるでしょう。
OIFやIEEEのような標準機関は相互運用性テスト向け指針を示していますが、コパッケージド銅ソリューションを次の段階に移行させるための明確な基準はまだ示されていません。最終的には、シリコンSerDesベンダーが利用可能な変調オプションを決定し、実行可能な展開のタイムラインを提示するでしょう。大手データセンター事業者やスイッチベンダーがソリューションを統合し、業界の他社が追従するデファクト標準を形成した時点で、ハイパースケーラーによる採用が加速すると予想されます。
前述の3つのシナリオの中で、448G PAM-6が相互運用性の壁に突き当たった場合、あるいは448G PAM-4について112GHzナイキスト周波数での製造が難しすぎると判明した場合には、システムアーキテクトは段階的な移行戦略を迫られるでしょう。その場合には、336G PAM-4が業界にとって最も実用化しやすいフォールバックパスとして浮上します。
コパッケージド銅の未来に向けたスケーリングソリューション
システムアーキテクトは、将来の需要を見据える一方で、現在実用可能なハードウェアを確保しなければなりません。Molexの戦略は、既存のImpressプラットフォームのイタレーションと改良を重視しており、エンタープライズアプリケーション向けの何百万個ものASIC近傍設置型インターコネクトの生産から得られた製造専門知識に基づく取り組みを進めています。
Molexは、最も実用化の可能性が高い短期的な経路として、336G PAM-4および448G PAM-6リンク用のデモンストレーターキットと検証済み評価ボードを製造しています。それと同時に、エンジニアチームは光ソリューションによる448Gの実現を目指して、超低損失の材料と高度なマイクロコネクター形状のテストを積極的に進めています。
Molexはまた、スイッチ市場とGPU市場それぞれの異なるニーズに対応するために、ディファレンシャルペア数の倍増に取り組んでいます。依然として光学系ソリューションを必要とする設計については、MolexはELSFP相互接続システムなどのコアソリューションを活用してより広範なエコシステムのサポートを継続します。これらのコンポーネントは、銅回路と光回路の両方にまたがる信頼性の高い統合を提供します。
これらの選択肢について詳しく知るには、Molexのコパッケージド銅ソリューションが次世代のデータセンターアーキテクチャに欠かせない信頼性に優れた性能と製造スケールをどのように提供するかをお読みください。
