224Gシステムアーキテクチャ入門

人工知能（AI）、機械学習（ML）、ストリーミングその他の高性能アプリケーションは、データ・センターにかつてない要求を突きつけています。高速化、広帯域化、低遅延化のニーズは、今日のデータ・センターの限界に挑戦しています。この課題は、生成AIのようなアプリケーションが進化するにつれて、さらに大きくなると予想されます。  

224G PAM4（4値パルス振幅変調）で動作するシステムは、速度、帯域幅、遅延などに関してさまざまな利点があるため、データを大量に消費するアプリケーションやワークロードをサポートするデータ・センターにとって欠かせないものになっています。しかし、224Gでの運用は単純なアップグレードではありません。新しいテクノロジーに特化した新時代の設備が必要となります。  

224G PAM4は、PAM4変調方式を利用して毎秒224ギガビットのデータ・レートを実現する高速データ伝送技術です。224はデータ伝送の次の進化を表しており、112Gシステムのレートが2倍になっています。生成AI、自律走行、5G/6G、高性能コンピューティングなど、アプリケーションの増大する帯域幅と性能要件をサポートするために使用されます。 

PAM4は、1シンボルあたり2ビットのデータを表現するために4つの電圧レベルを使用するマルチレベル信号伝送方式です。データ伝送に2つの電圧レベルしか使用しない従来の非ゼロ復帰（NRZ）信号伝送（0または1）とは異なり、PAM4は4つのレベルを使用することで、2倍のデータ・レート（00、01、10、11）を達成できます。PAM4は1シンボルあたり2ビットを送信することにより、NRZ変調よりも低いシンボルレートで動作するため、同じデータ・レートを生成する際の消費電力はNRZよりも少なくなります。さらに、この帯域幅効率は、広帯域幅アプリケーションにおいてPAM4をNRZよりもスケーラブルな技術にしています。 

PAM4はその構造上、シンボル同士が干渉し合うひずみの一種であるシンボル間干渉（ISI）の影響を受けやすいため、設計上、独自の考慮事項があります。ISIは、ビット誤り率（BER）の増加やデータの完全性の低下といった問題を引き起こす可能性があり、正確で確実なデータ伝送を必要とするクラウドコンピューティング、AI、MLといったアプリケーションにとって、深刻な問題になることがあります。このため、高度なイコライゼーション技術を使用してPAM4ソリューションのシグナルインテグリティを管理するモレックスのような信頼できるベンダーと連携する必要性は明らかです。 

PAM4が224Gbpsでのデータ伝送に適した変調方式であるのは、広帯域化効率、消費電力の削減、拡張性の向上が理由です。PAM4は1シンボルあたり2ビットを使用するため、224G PAM4はわずか112Gbaudのシンボルレートで動作します。224Gbps-NRZシステムは、同じデータ・レートを達成するために224Gbaudのシンボルレートで動作する必要があるため、必要な電力が増え、拡張性が制限されます。  

シンボルレートとエンコーディング方式を除き、システム内のコンポーネント（ケーブルやコネクターなど）やトランシーバーなどのハードウェアは、224G PAM4をサポートするように設計する必要があります。 

生成AIや高性能コンピューティングのような新しいアプリケーションにとって、224G対応のデータ・センターは必須です。高速化、低遅延化、優れた拡張性、さらに機械的堅牢性のニーズという重責を担うのは、今日の最先端データ・センターです。こうした要件はすべて224G-PAM4テクノロジーによって満たすことができますが、独自の設計要件を必要とする場合があります。 

224Gネットワーキングは、112Gbpsと56Gbpsという従来の規格を大幅に上回る速度と帯域幅を実現します。こうした数値の上昇は、顔認識、5G・6Gの展開、Vehicle-to-everything（V2X）通信など、重要なアプリケーションをサポートするために必要です。 高速化と広帯域化は、大量のデータを消費・生成する極めて複雑なAIモデルのトレーニングにも役立ちます。 

224G PAM4テクノロジーは、伝送遅延の低減にも役立ちます。伝送遅延とは、データがソースからレシーバーまで移動するのにかかる時間のことです。遅延がシステム障害やユーザーエクスペリエンスの中断を引き起こす可能性のあるアプリケーションでは、低遅延化が重要です。たとえば、ビデオ会議やAR/VRアプリケーションでは、スムーズで没入感のある体験を提供するために低遅延が要求されます。遠隔手術では、手術が安全かつ正確に行われるよう、非常に低い遅延が求められます。また、自律運転車両では、遅延が道路状況や周辺環境に対する車両の反応の速さに影響します。 

224 Gbps-PAM4ネットワーキングコンポーネントは、旧世代のソリューションよりも機械的堅牢性を高めるように設計されています。これは、高レベルの熱や振動がシステム障害の原因となり得るデータ・センター環境において、確実な動作を保証するために重要です。

拡張性、柔軟性、モジュール化は、広帯域幅、低遅延パフォーマンスが要求される6Gネットワーキングのような新しく革新的なテクノロジーに将来対応するために必要になります。モレックスのMirror Mezz Enhancedコネクターのような224Gソリューションでは、アーキテクチャを需要の増減に合わせて迅速に拡大・縮小できるため、最も必要なときに最も必要な場所で、効率的かつ信頼性の高い動作を確実に実施できます。  

224Gソリューションにとって最も要求の厳しいアプリケーションの多くはまだ登場の初期段階にあり、その採用は前例がありません。生成AIは、事業運営や消費者向けアプリケーション、またシステムやデバイスへの潜在的統合においても急速に普及しつつあり、インフラをサポートする必要性が重視されています。また、ストリーミング、クラウド、モノのインターネット（IoT）のような確立されたアプリケーションは成長を続けていますが、進化にはより高性能なソリューションが必要です。 

生成AIアプリケーションは、業界やユースケースを問わず急速に普及しています。人間と同様の品質でテキスト、画像、動画、その他の形式のメディアを生成できることがよく知られていますが、これらのアプリケーションの洗練度を向上させるためのトレーニングには、膨大な量のデータを必要とします。また、何らかの入力によって返答を促すという生成AIのシンプルな運用は、大量のデータを生成します。 

機械学習は、機械がデータから学習し、予測や意思決定を行い、プロセスを改善することを可能にするAIのサブセットです。MLアプリケーションの使用は、予測、不正検出、製品推奨、エネルギー割り当てなど、企業内で着実に増加しています。

ただし、MLアプリケーションもデータ集約型で、生成AIと同様、トレーニングのために大規模なデータセットを必要とし、MLモデルが次々とデータを生成します。   

高性能コンピューティングでは、従来のコンピューターでは複雑すぎる計算問題を解決するために、高性能コンピューターとソフトウェアを使用します。HPCはすでに科学研究、エンジニアリング、金融、製造など幅広い分野で利用されていますが、224Gbps-PAM4データ・センターの拡張性と組み合わせることで、その能力は大幅に向上します。 

デジタル・ツインとは、物理的な物体やシステムを仮想空間で表現したもので、その物体やシステムに取り付けたセンサーなどのデバイスから得たデータに基づいて作成されます。デジタル・ツインは、現在の状態の監視、将来の動作の予測、潜在的なシナリオのシミュレーションに使用できます。たとえば、ハリケーンやブリザードの可能性など、環境条件がトラック運送会社のロジスティクスに及ぼす影響をシミュレートする場合などです。 デジタル・ツインは、デバイスや部品レベルでも作成でき、偶発的な落下など、使用方法による影響を予測できます。  

モノのインターネット（IoT）とは、データを収集・交換できるようにセンサーなどのデバイスを組み込んだ物理的な物体のネットワークです。2030年までに、インターネットに接続されるIoTデバイスは300億台近くになると推定されています。これは、IoTデバイスの低価格化と入手可能性の向上、データ主導のインサイトに対する需要の高まりによってもたらされる成長です。 

224G PAM4ネットワーキングは、IoTデバイスからのデータを確実に伝送し、処理してから、クラウドを通じて配信するために不可欠です。 

Netflix、YouTubeなどのサービスによって家庭の必需品となり、ビデオネットワーキングの増加によって普及に拍車がかかったオーディオおよびビデオストリーミングは、特に一般的な放送メディアに代わるものとして、今後も成長軌道をたどることが予想されます。ストリーミングは広帯域幅、高速、低遅延に依存することによって、コンテンツを常に高解像度で利用できるようにしています。 

5Gネットワーキングはまだ展開中ですが、すでに6Gの初期計画も進行しています。5Gの影響が最も顕著だったのはコンスーマ向けデバイスでしたが、6Gはより職場に焦点を合わせて、インダストリー4.0など運用目標の実現に貢献すると予想されており、スピードと信頼性が一層重視されています。 

自律運転車両は今後10年で普及すると予想されており、224Gネットワーキングはその展開に不可欠になります。自律運転車両とそれをサポートするVehicle-to-everything（V2X）インフラは、効果的に通信し、ドライバー、乗客、歩行者の安全を確保するために、広帯域幅、低遅延のネットワーキングを必要とします。

エッジコンピューティングは、224Gデータ・センターとの統合により、より強力で有能、かつ信頼性の高いものとなり、エッジネットワークがスマートホーム、遠隔医療、スマートグリッド、産業用モノのインターネット（IIoT）などのアプリケーションをよりよくサポートできるようにします。拡張現実（AR）や仮想現実（VR）のようなテクノロジーも、エッジコンピューティングの性能向上から恩恵を受け、遅延がなく没入感のある体験を生み出すことでしょう。

量子コンピューティングは、量子力学の原理を利用して、一般的なコンピューターでは複雑すぎる問題を解決します。量子コンピューティングは、ヘルスケアから研究、財務モデリングまで、多くの業界に革命をもたらすと期待されていますが、その可能性を実現するには広帯域幅のネットワーキングが必要になります。  

224Gの採用は次々と誕生する新しいテクノロジーのために必要ですが、一部のコンポーネントやシステムを置き換えれば済むという単純なものではありません。導入にはいくつかの障壁がありますが、克服できないものではありません。224Gbps-PAM4テクノロジーに特化した信頼できるプロバイダーと連携する必要性は明らかです。設計プロセスの初期段階で課題を特定し、対処することで、コストのかかるエラーを最小限に抑えることができます。  

データ・センター事業者は、パフォーマンスと効率を向上させる方法を常に模索していますが、新テクノロジーへのアップグレードに伴うコストや混乱にも留意する必要があります。112Gから224G PAM4ネットワーキングへの移行には、224Gで動作可能な新しいデバイス、コンポーネント、システムアーキテクチャが必要です。スイッチ、ルーター、ケーブルなど、既存のネットワーキング設備は置き換える必要があります。 

シグナルインテグリティの問題を最小限に抑えることは、224G PAM4システムの実装における最大の技術的課題の1つです。長期的な信頼性を確保するには、設計と導入の段階で慎重な検討が必要です。シグナルインテグリティの詳細については、「224Gチャネルのシグナルインテグリティに影響を与える要因」セクションを参照してください。

さまざまなベンダーの224Gネットワーキング機器間の互換性は極めて重要ですが、現在のところ、224G PAM4ネットワーキングには確立された規格がありません。つまり、データ・センター事業者が224G機器を選択する際には、ネットワーク内の他の機器との互換性に注意する必要があるということです。信頼性が高く、認知度の高いソリューションプロバイダーと連携することの重要性は明らかです。 

224 Gbps-PAM4は、旧世代のネットワーキングよりも複雑です。データ・センター事業者には、224Gネットワークを設計し、運用して、管理するための専門知識（特にシグナルインテグリティの課題に対処する方法）が必要です。これは、社内に専門家がいない小規模なデータ・センターにとっての課題であると同時に、熟練したオペレーターを獲得するための競争が激化しているハイパースケール施設にとっても課題となります。モレックスは、設計の初期段階でコンサルティングを行い、課題を認識して対処できるようにし、実装、メンテナンス、運用を容易にすることで、この問題に対処するお客様を支援します。 

224Gネットワーキング機器は、旧世代よりも多くの電力を消費します。これは、エネルギー消費を削減したいデータ・センター事業者にとって障害となる可能性があります。とはいえ、224Gbps PAM4ソリューションは、同等のNRZソリューションよりも電力効率に優れています。 

このような障害があるにせよ、データ・センターは、生成AI、ML、デジタル・ツイン、その他の新しいアプリケーションによって急増するデータ需要をサポートするために、224Gネットワーキングを採用する必要があります。224G PAM4ネットワーキングの利点は、採用しない場合の課題やリスクをはるかに上回ります。 

コネクターは、ASIC付近、ケーブルインターフェース、ファブリックチャネル、スケールアウトチャネルなど、224Gシステムアーキテクチャにおいて重要な役割を果たします。このため、使用するケーブルとコネクターの品質は特に重視されます。 

一部のASICは現在、モジュールとしてPCB上に配置されており、基板対基板コネクターまたはメザニンコネクターシステムが必要です。  

ファブリックチャネルは、モジュール間の高速データ転送を可能にするケーブルとコネクターシステムで構成され、設計者にアーキテクチャ選択の柔軟性を提供します。 

コネクターは、銅ケーブルや光ケーブルをプリント基板に接続する標準化された高速伝送用銅コネクターなど、スケールアウトチャネル内のいくつかの場所に存在します。さらに、フライングリードケーブルがニアチップコネクターに接続され、ASIC内またはASIC近傍に信号を伝送します。 

224Gでの運用は、特に、シグナルインテグリティと機械的フォームファクターの要件とのバランスを取る際に、重大な設計上の課題が出現します。設計の初期段階でこのバランスに対処しないと、互換性のないコンポーネントを選択したり、熱管理で難題が発生したり、パフォーマンスが低下したりと、壊滅的な結果を招く可能性があります。シグナルインテグリティを優先する場合、候補となるコネクター製品のSパラメーターモデルを使ってシステムレベルのモデリングアプローチを取ることが、設計を適格に行う最善の方法です。ここでは、224Gシステムでシグナルインテグリティに影響するいくつかの要因を紹介します。 

コネクターインターフェースのインターフェース、ケーブル、ランドパターンは、入力インピーダンスを定義します。  さらに、インターフェースの物理的構造は、ピン間のクロストークとコネクター本体からのエミッションを決定します。

I/Oピンの負荷容量とパッケージインダクタンスは、シグナルインテグリティに悪影響を及ぼします。また、PCBまたはモジュールコネクターに入るチップランドパターンは、224Gのような高周波をサポートするために広帯域でなければなりません。

回路基板は、伝送線沿いの寄生容量を介して容量性負荷が発生する可能性があります。

銅の粗さによる損失の管理は、ナイキスト以下またはナイキスト付近で動作する中域周波数帯域では極めて重要です。ナイキストに近いかそれを上回る周波数では、誘電損失が支配的になります。クロストークは最小化し、ナイキスト周波数までは一定の限界値未満に維持すべきで、-40dBが典型的です。 

モレックスは、高速データ・センター向けのリーディングプロバイダーであり、スケールアップとスケールアウトの両方のアーキテクチャをサポートする包括的な製品ファミリーを提供しています。 モレックスの224Gソリューションは、高性能コンピューティング ワークロードの増大する需要を満たすように設計されており、データ・センターが顧客のニーズを満たすためにパフォーマンスをスケールアップしたり、容量をスケールアウトしたりすることを可能にします。

モジュラーハードウェアを使うことで、アーキテクトはモジュールを追加または削除し、各シャーシを特定のニーズに合わせて調整して、必要に応じて段階的に電力を拡張できます。新しいMirror Mezz Enhancedコネクターは、インピーダンス公差とクロストークを改善した224G PAM4をサポートすることで、このモジュール性を実現しています。 Mirror Mezz Enhancedはまた、業界をリードする密度とMirror Mezzラインの両性的性質を維持し、SKUを削減します。Inception/CX2-DS相互接続ファブリックと組み合わせて使用すると、システムはバックプレーンコネクターとケーブルを使用して、別々のシャーシ間を接続できます。 

モレックスの次世代MSA準拠OSFP、QSFP、QSFP-DD製品ファミリーには、224G向けに作られたSMT、BiPass、直結（DAC）、アクティブ電気ケーブル（AEC）ソリューションがあります。これらの堅牢なケーブルとコネクターは、優れた機械的耐久性能、優れたシールド性能を備えており、クロストークを最小限に抑え、より高いナイキスト周波数でより優れたシグナルインテグリティ（SI）を提供します。

データの需要は留まるところを知りません。企業や人々の日常的な機能をサポートする新しいアプリケーションを可能にするために必要なのは、高速化と広帯域化のニーズを満たすことです。モレックスは、224G製品およびソリューションの完全なポートフォリオを市場に先駆けて提供することで、次世代データ・センターへの道を切り開いています。

モレックスは、お客様との共同開発アプローチにより、生成AIなどのアプリケーションをサポートする最高品質の相互接続ソリューションを設計・製造してきました。また、ハードウェア、アーキテクチャ、コネクティビティ、機械的整合性、シグナルインテグリティなどに関する設計の考察を専門とする多様な専門家チームが、設計の初期段階からお客様に合わせてコンサルティングを行います。 

詳細については、モレックスの224G製品とソリューションをご覧ください。