ネットワークコアの再設計：光回路スイッチングの躍進

その中核を成す光回路スイッチング（OCS）は、従来の電子パケットスイッチングから離れ、共有の物理的なファイバーインフラ上に直接的で再構成可能な光回路を作成するテクノロジーです。このアプローチは、電子スイッチングアーキテクチャを限界に追い込んでいるAIワークロードとハイパースケールワークロードの爆発的なデータ需要に後押しされています。この魅力的なソリューションは、電子スイッチングにおける電力と遅延面での限界に対処できるため、膨大な東西方向トラフィックパターンが発生する大規模なAIトレーニングクラスターに対し、直接的かつ永続的な接続を確立することでパフォーマンスを劇的に向上できる効果的なアーキテクチャとなります。

しかし、このようなアーキテクチャ上の変化はエンジニアリングの主要課題を再定義することになり、その焦点をスイッチ自体から基盤となる光インターコネクトのパフォーマンスと密度へと移行させています。

従来の電子パケットスイッチング（EPS）とOCSの主な違いは、それらが接続を確立する方法です。この違いは、ネットワークの速度と電力効率に直接影響します。

パケットベースのルーティングに依存するEPSは、複雑な道路ネットワークのように動作し、各データパケットが個別に停止され、検査されます。パス上のすべてのスイッチが個々のパケットのアドレス情報を読み取ってルーティングの決定を行わなければならないため、電力が大幅に消費され、遅延が発生することになります。このプロセスでは、各スイッチングステージで消費電力が大きい光-電気-光（OEO）変換を絶えず実行して、電子ハードウェアがデータを分析できるようにする必要があります。パケット処理と輻輳を管理するためのバッファリングを含めたこれらの工程は、ネットワークインフラストラクチャの複雑性を大幅に増加させます。

これとは対照的に、OCSは光に対して鉄道の分岐器のように機能します。接続されている間は専用かつエンドツーエンドの物理的な光のパスが確立されるため、データはパケットごとの処理を経ることなくスムーズに流れます。OCSは、データをパス全体で光信号のまま保持することによってすべてのスイッチでOEO変換を行う必要性を排除するため、長期間にわたって優れた電力効率とコスト効率を実現するより高速なネットワークが創り出されます。スイッチは光をリダイレクトするだけなので、OCSはデータレートやフォーマットとはほぼ無関係に動作し、複数のテクノロジー世代に対応できる、将来性の高いネットワークインフラストラクチャを提供します。

最終的に、EPSとOCSのどちらを選択するかは、データトラフィックの性質に左右されます。非常に動的で予測不能な多数対多数型のワークロードには引き続きEPSが最適ですが、OCSは大規模なAIトレーニングやハイパフォーマンスコンピューティングクラスターに特有の永続的で広範な少数対少数型のデータフローの処理に優れています。

光回路スイッチングの実効性に関する最も有力な証拠は、このテクノロジーが極めて大規模に導入されているGoogleのハイパースケールデータセンターから得られます。GoogleのMission Apolloイニシアチブは、従来の電子スイッチを何千もの社内OCSシステムに置き換えました。今では、このシステムが巨大なJupiterネットワークの中核を成しています。

Palomarシステム
Palomarとして知られる社内システムは、微小電気機械システム（MEMS）ベースのミラーを使用して光線を動的にリダイレクトします。このテクノロジーは、ネットワークの異なる部分間に直接的かつ透明な光のパスを作ることによって、ありとあらゆる接続の組み合わせを、エネルギー効率に優れたコンパクトな方法で実現できるようにします。帯域幅をさらに拡大するため、このシステムでは単一の光ファイバー経由で複数のデータストリームを伝送できるようにする波長分割多重（WDM）も取り入れています。

パフォーマンス結果
この導入について報告されている結果は極めて重要です。GoogleのOCSベースのネットワークは、以前の電子スイッチングソリューションよりも消費電力が40%少なく、ダウンタイムも50分の1に減少しています。また、直接接続トポロジーへの移行によってネットワーク階層が簡素化されたため、スイッチのスパイン層全体も不要になりました。

物理層に関する重要点
しかし、実際の現場で行われたこの実装は、重要な物理的課題も浮き彫りにしています。Googleのシステムでは、最悪挿入損失が2 dBになっています。これは、最も高度な光ネットワークでさえも、接続ポイントごとに少量の信号電力が失われるという注意喚起です。こうした現実には、シグナルインテグリティを大規模に維持するための正確かつ堅牢な物理層が求められます。損失を補うには、システムに高出力光トランシーバーを導入して、シグナルインテグリティと電力供給の両方を管理できる物理層戦略のニーズに対応する必要があります。

全光コアへのシフトは、エンジニアリングの主要課題を再定義することで、その焦点をスイッチングプロトコルから、密度とシグナルインテグリティという2つの中核的な物理的問題に移行させています。OCSアーキテクチャは電子処理の問題を解決する一方で、新たなレベルのハードウェア課題をもたらします。システムをハイパースケールレベルで実行可能にするためには、この課題を克服する必要があります。

極端なコネクター密度の課題
OCSは、数千もの個々の光ファイバーを非常に狭小な物理的スペース（通常はスイッチのフェイスプレート上）で終端処理する必要がある大規模なクロスコネクトです。この状況は、従来のコネクター設計を限界まで追い込む、超高密度という課題を引き起こします。こうした配置には、機械的安定性や光接続のパフォーマンスを損なうことなく、最小限の設置面積でこれまでにないファイバー密度を実現できるコネクターソリューションが必要です。

信号電力と整合性の課題
大規模なOCSでは、Googleの導入における重要な課題として浮き彫りになった、光接続固有の挿入損失がより重大な問題になります。複雑なパス内のすべての接続ポイントが、信号電力の累積損失の一因になります。この問題には、2つの重要なコンポーネントを備えた物理層ソリューションが必要です。まず、各ポイントでの損失を最小限に抑えるための正確な低損失コネクターが必要です。次に、光源から高い光出力を提供して、パス全体の信号劣化を補うための堅牢な戦略が求められます。 

光回路スイッチングネットワークのパフォーマンスを最終的に左右するのは、物理層の品質とイノベーションです。Molexは、インターコネクトパス全体に広範なエンジニアリング専門知識を適用することで全光コアの中核的な物理的要求に対処しており、密度とシグナルインテグリティの課題に直接対応するソリューションのポートフォリオを提供しています。 

極端なコネクター密度の課題に対処するため、MMCケーブルアセンブリーとアダプターには超小型フォームファクター（VSFF）設計が使用されています。この設計は、標準的なMPO/MTPソリューションより最大3倍高いファイバー密度を実現します。これは、ファイバー数の多い大規模なOCSの物理的構造を実用化するための重要な要件です。

信号電力と整合性に関する課題の解決には、外部レーザー光源相互接続システム（ELSIS）が挿入損失を克服するために必要なサービス可能で熱管理された高出力光源を提供します。業界が未来に目を向ける中、ELSISはOCSをCPO（コパッケージドオプティクス）と融合させるための重要なリンクも提供します。このシステムレベルの専門知識は、未来の全光データセンターネットワークの構築と拡張に不可欠です。

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