光モジュールの進化：データセンターの未来とその先を支える

人工知能（AI）、クラウドコンピューティング、ビッグデータが主流の時代において、高性能データ伝送への需要はかつてないほど高まっています。このデジタル革命の心臓部であるデータセンターは、膨大な量のデータをかつてない速度で処理・転送する役割を担っています。このインフラの中核を成すのが、光モジュールです。光モジュールは、電気信号を光信号に変換し、光ファイバーケーブルを介した超高速データ通信を可能にする独創的なデバイスです。AIモデルが複雑化し、データセットのサイズが肥大化するにつれ、従来の銅線ベースの相互接続は過去の遺物となり、現代のアプリケーションの帯域幅と遅延の要件に対応できなくなっています。そこで登場するのが、光の力を利用してデータを長距離にわたって効率的に伝送し、次世代の技術革新を推進する光モジュールです。この記事では、光モジュールの世界を深く掘り下げ、400Gから驚異的な3.2Tまでの進化を探り、その未来を形作る最先端技術を紐解きます。費用対効果が高く低消費電力の代替手段として、リニアプラガブルオプティクス（LPO）とリニアレシーバーオプティクス（LRO）を検証し、高速モジュールの熱問題に対処する高度な冷却ソリューションについて解説します。さらに、コパッケージオプティクス（CPO）、光入出力（OIO）、光回線スイッチング（OCS）といった革新的なパラダイムについても考察します。最後に、データセンター相互接続を再定義する基盤技術として、シリコンフォトニクスにスポットライトを当てます。

高速光モジュール：400Gから3.2T以上まで

光モジュールの基礎

光モジュールは、現代のデータ通信における縁の下の力持ちです。これらの小型デバイスは、電気システム（スイッチやサーバーなど）と光ファイバーネットワーク間のインターフェースとして機能します。各モジュール内部では、レーザーが光を生成し、変調器がその光にデータをエンコードし、受信端の光検出器が光信号を電気信号に戻します。このプロセスにより、電気抵抗や信号劣化の影響を受ける銅線とは異なり、最小限の損失で長距離をデータを伝送することが可能になります。光モジュールは、データセンター、通信、そして高速で信頼性の高いデータ転送が不可欠な自動運転車などの新興分野でも広く利用されています。

現代のコンピューティングにおける光モジュールの役割

光モジュールは、データ通信の縁の下の力持ちです。これらのデバイスは、サーバーやスイッチなどの電気システムと光ファイバーネットワークを橋渡しし、電気信号を光パルスに変換します。光パルスは、長距離を最小限の損失で伝送します。電気抵抗と信号劣化に悩まされる銅線とは異なり、光モジュールは、AIトレーニング、クラウドサービス、5Gネットワークに不可欠な高帯域幅、低遅延通信を可能にします。一般的なモジュールには、レーザー、変調器、光検出器が内蔵されており、これらが連携してデータのエンコード、送信、デコードを行います。

容赦ないスピードの進歩

光モジュール速度の進化は、人類の創意工夫と技術進歩の絶え間ないスピードを物語っています。わずか100年前、100G（400ギガビット/秒）モジュールはイノベーションの頂点であり、初期のクラウドコンピューティング基盤を支えていました。今日では、XNUMXGがハイパースケールデータセンターの標準となり、AIトレーニングやリアルタイム分析に必要な帯域幅を支えています。しかし、業界の進化はそこで止まりません。800Gモジュール 1.6T（毎秒1.6テラビット）は既に生産が開始されており、3.2Tのプロトタイプは研究室で注目を集めています。具体的には、3.2Tモジュールは毎秒3.2兆ビットのデータを送信でき、これは数千本の超高精細映画を同時にストリーミングできる量です。この急激な成長は、単に自慢できるものではなく、AIやビッグデータのデータ需要への直接的な対応です。例えば、大規模な言語モデルをトレーニングするには、数ペタバイト規模のデータをGPU、メモリ、ストレージ間でわずか数秒で移動させる必要があります。従来のインターコネクトでは対応しきれないため、高速光モジュールが次世代コンピューティングの要となります。

スピード革命を推進するテクノロジー

このような驚異的な速度を達成するには、物理学と工学の限界を押し広げる高度なテクノロジーの組み合わせが必要です。

• シリコンフォトニクス：この革新的なアプローチは、レーザーや変調器などの光学部品をシリコンチップ上に集積し、成熟した半導体製造エコシステムを活用します。コスト効率と拡張性に優れ、電子回路との緊密な統合を可能にするため、高速光モジュールの基盤となります。
• 電界吸収変調レーザー（EML）：EMLは、驚異的な速度でオン/オフを切り替えることができる高性能レーザーであり、800Gおよび1.6Tアプリケーションに最適です。低消費電力で高帯域幅を処理できる能力は、現代の光ネットワークを実現する重要な要素です。
• 薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）：優れた光学特性を持つ新興材料であるTFLNは、超高速アプリケーションにおいて有望視されています。例えば、Cienaは最近、HyperLight社の3.2GHz TFLN変調器を用いてOバンドで140Tb/sの伝送速度を実証しました。これは光通信の未来を垣間見る好例です。
• 高度な変調方式：6GbaudのPAM6（174レベルパルス振幅変調）などの技術により、エンジニアは各光パルスにより多くのデータを詰め込むことができ、より高速なハードウェアを必要とせずにスループットを向上させることができます。これは、1.6Tから3.2T以上へのスケーリングにおいて非常に重要です。

レーンあたり200G（1.6T SR8で使用）の場合、 800G DR4など）のサプライチェーンは堅固で、EMLとシリコンフォトニクスは量産段階にあり、TFLNとVCSELは試作段階にあり、DSP、TIA、光検出器は導入準備が整っています。レーンあたり400G（目標3.2T）では、シリコンフォトニクスが有力候補ですが、材料プラットフォームと変調方式については依然として議論が続いています。

市場動向：帯域幅のブーム

AI、クラウドコンピューティング、そして5Gネットワークの飽くなき需要に牽引され、高速光モジュール市場は爆発的に成長しています。アナリストは、2025年までに800Gモジュールの世界需要が年間20万台に達すると予測しています。一方、400Gモジュールは堅調な17万台を維持すると見込まれています。さらに先を見据えると、1.6Tモジュールは2026年に量産に入り、30年までに市場の2030%を占めると予想されています。一方、まだ試作段階にある3.2Tモジュールは、2030年代半ばまでにハイエンドセグメントを席巻すると見込まれています。200Tおよび1.6G構成の構成要素であるレーンあたり800Gに関しては、サプライチェーンが成熟しており、EMLとシリコンフォトニクスが本格生産されています。 TFLNやVCSEL（垂直共振器面発光レーザー）といった新興技術はまだ開発段階ですが、計り知れない可能性を秘めています。400Tの基盤となるレーンあたり3.2Gでは、シリコンフォトニクスが最有力候補ですが、最適な材料プラットフォームと変調方式をめぐる議論は依然として続いています。

地平線上の挑戦

このような速度へのスケーリングには、ハードルがないわけではありません。消費電力は大きな懸念事項です。1.6Tモジュールは約30ワットを消費しますが、3.2Tモジュールは40ワットを超え、かなりの熱を発生します。また、許容誤差の厳しさと特殊な材料の使用により製造コストが上昇し、製造の複雑さも増しています。これらの問題に対処するため、業界はレーンあたり802.3Gを実現するIEEE 200djなどの新しい規格の策定に取り組み、革新的な冷却技術と変調技術に投資しています。3.2T以降の高速化に向けた競争は、速度だけでなく効率性も重要になります。

LPOとLRO：効率性と経済性の両立

線形光学の台頭

データセンターが電力とコストの制約に直面する中、60つの革新的な光モジュール設計が登場しました。それは、リニアプラガブルオプティクス（LPO）とリニアレシーバーオプティクス（LRO）です。従来の光モジュールは、ノイズや分散による信号歪みを補正するためにデジタル信号プロセッサ（DSP）を利用しています。DSPは効果的ですが、消費電力が大きく、モジュールの電力のXNUMX%以上を消費し、遅延も増加させます。LPOとLROは異なるアプローチを採用し、リニアアナログコンポーネントを使用して信号処理を簡素化することで、消費電力とコストを大幅に削減しながら、超低遅延を実現します。

• LPO（リニアプラガブルオプティクス）：短距離の相互接続（ラック内または隣接ラック間など）向けに設計されたLPOは、DSPを完全に排除します。これにより、最大40%の消費電力削減、1ナノ秒という低レイテンシ、そして製造コストの削減が実現し、レイテンシに敏感なAIワークロードに最適です。
• LRO（リニア受信光学）：ハイブリッドソリューションであるLROは、受信側のみに線形処理を適用するため、DSPベースの送信機と互換性があります。この柔軟性により、最大2キロメートルの中距離相互接続を含む、より幅広いアプリケーションに適しています。

LPOとLROが重要な理由

これらのテクノロジーの利点は魅力的です。

• エネルギー効率: DSP、LPO、LRO を廃止することで、電力消費を大幅に削減し、より環境に優しいデータ センターを求める業界の要求に応えます。
• コスト削減: 設計が簡素化されると、コンポーネント数が少なくなり、生産コストが削減されます。これは、何千ものモジュールを管理するハイパースケール オペレーターにとって大きなメリットです。
• 低レイテンシ: レイテンシがナノ秒単位であるため、これらのモジュールは金融取引や AI 推論などのリアルタイム アプリケーションに最適です。

標準化と相互運用性

LPOとLROはまだ成熟段階にあり、標準化は普及に向けた重要なステップです。光インターネットワーキングフォーラム（OIF）は、OFC 2025でLPO、LRO、そして従来のDSPベースモジュール間の相互運用性を示すデモンストレーションを実施するなど、この取り組みを主導しています。LPOはOIFのCEI-112G-LINEAR PAM4仕様に準拠しており、一貫したパフォーマンスを保証します。一方、LROの電気インターフェース規格は2025年に最終策定される予定です。これらの取り組みは、既存ネットワークへのシームレスな統合への道を切り開きます。

現実世界への影響: ケーススタディ

業界のリーダーはすでに LPO と LRO を採用しています。

• Alibaba Cloud: 2025 年 400 月、Alibaba は世界中のデータ センターに 4G DRXNUMX LPO モジュールを導入し、大規模で高帯域幅のアプリケーションでの実行可能性を証明しました。
• InnoLight と FiberMall: OFC 2025 で、両社は 1.6T LRO モジュールを発表し、次世代 AI クラスターの可能性を示しました。

テストが継続され、標準が確立されるにつれて、LPO と LRO は光ネットワークの経済性を再定義する準備が整います。

冷却ソリューション：高速モジュールの熱を抑える

暑さのジレンマ

高速光モジュールは諸刃の剣です。速度が速いほど消費電力は大きくなり、消費電力が増えると発熱も大きくなります。1.6Tモジュールの消費電力は約30ワットですが、3.2Tモジュールでは40ワットを超えます。この発熱は、次のような複数の課題を引き起こします。

• 電力密度: 小型モジュールは狭い領域に熱を集中させるため、熱過負荷が発生するリスクがあります。
• 熱クロストーク: 1 つのモジュールからの熱により、近くのコンポーネントのパフォーマンスが低下する可能性があります。
• データ センターへの影響: 数千のホット モジュールにより冷却コストが上昇し、効率が低下します。

ファンとヒートシンクに頼る従来の空冷方式は限界に達しており、業界では熱管理の見直しを迫られています。

液体冷却：クールな革命

高速光モジュールの冷却ソリューションとして、液体冷却が注目されています。空気とは異なり、液体は優れた熱伝導性を持ち、効率的に熱を吸収・放散します。そのメリットは以下の通りです。

• 精密冷却: 液体は、レーザー ダイオードや変調器などの特定のホット スポットをターゲットにすることができます。
• エネルギー効率: 全体的な冷却電力を削減し、データセンターの PUE (電力使用効率) を低下させます。
• スケーラビリティ: 将来の AI クラスターの高密度かつ高出力のセットアップをサポートします。

最先端の冷却技術

いくつかのイノベーションが液体冷却を推進しています。

• 高熱伝導性素材: 銅と蒸気チャンバーがアルミニウムケースに代わり、熱伝達が向上します。
• 低接触抵抗材料: ダイヤモンドライクカーボン (DLC) コーティングにより、コンポーネント間の熱抵抗が最小限に抑えられます。
• 最適化されたヒートシンク: より多くのフィンや高度な形状を採用した設計により、冷却効率が向上します。

より優れた熱伝導性材料 (TIM) や低電力設計 (LPO/LRO など) などの補完的なアプローチにより、熱出力がさらに削減されます。

業界の進歩

• Accelink と Celestica: OFC 2025 で、Accelink は Celestica の DS5000 スイッチを搭載した液浸冷却プラットフォームをテストし、1.6T モジュールの液体冷却の信頼性を証明しました。

3.2T が迫る中、データセンターをスムーズに稼働させるには液体冷却が不可欠になります。

共パッケージ光学部品（CPO）：帯域幅と効率性を再定義

CPOとは何ですか？

従来の構成では、光モジュールはPCB上の電気配線を介してスイッチASICに接続されます。高速通信時には、これらの配線がボトルネックとなり、電力消費と帯域幅の制限を引き起こします。 同時パッケージ化された光学部品 (CPO) は、光モジュールを ASIC に直接統合することでこの問題を解決し、長い電気経路を排除して新しいレベルのパフォーマンスを実現します。

CPOが重要な理由

CPO は変革をもたらすメリットをもたらします:

• エネルギー効率: NVIDIA の CPO ソリューションは、電力使用量を 20pJ/ビットから 5pJ/ビットに削減し、3.5 倍の改善を実現します。
• 密度: より少ないスペースでより多くのポートをサポートし、AI 駆動型ハイパースケール ネットワークに最適です。

技術オプション

• シリコンフォトニクス: 2km 未満の距離に最適で、高い統合性と拡張性を提供します。
• VCSEL: 短距離 (<30 m) リンクではコスト効率に優れていますが、信頼性に関してはまだ改善の余地があります。

業界のマイルストーン

• NVIDIA: Spectrum-X CPO スイッチを 2026 年に発売する予定。
• Broadcom: BaillySCIP シリコンフォトニクスを使用した 51.2Tbps Tomahawk5 スイッチを 2026 年にリリース予定です。
• 中国のイノベーター：Ruijie Networks と H3C が CPO プロトタイプをテストしています。

今後の課題CPO の複雑な 2.5D/3D 統合と扱いにくいモジュール交換によりコストが上昇する可能性がありますが、その可能性は否定できません。

光入出力（OIO）：コンピューティングとストレージの新時代

OIOの定義

光入出力（OIO）は、チップパッケージに光トランシーバーを組み込み、プロセッサ、メモリ、ストレージ間の直接的な光リンクを可能にします。ボードレベルの変換をバイパスすることで、OIOはレイテンシと消費電力を大幅に削減します。

アプリケーションと利点

OIO は、AI クラスターのようなスケールアップ アーキテクチャで威力を発揮します。

• Ayar Labs: TeraPHY OIO チップは、ポートあたり 8Tbps で 1Tbps を提供します。
• Avicena: 1Tb/s GPU 統合にマイクロ LED を使用します。
• Celestial AI: ゲルマニウム変調器で 4pJ/ビットを達成。

テクノロジーの道筋

• シリコンフォトニクス: 成熟しており、多用途です。
• マイクロLED: 高帯域幅、初期段階。

ハードル

OIO は 3D 統合と歩留まりの課題に直面していますが、コンピューティング ネットワークに革命をもたらすことが期待されています。

光回線交換（OCS）：ネットワークの合理化

OCS とは何ですか?

OCS は光スイッチを使用して直接的な光パスを作成し、電気パケットスイッチング (EPS) をバイパスして、遅延と電力を低減します。

優位性

• 遅延の削減: 電気的な処理の遅延はありません。
• 電力節約: 変換回数が少なくなります。
• 例: Google の Jupiter と Microsoft の Sirius は OCS を活用しています。

製品の導入

• MEMS: Lucent の Edge640 スイッチは、高速スイッチングを備えた 640 個のデュプレックス ポートを提供します。

シリコンフォトニクス：光イノベーションの基盤

シリコンフォトニクスはマイクロエレクトロニクスとフォトニクスを融合し、光学技術の進歩を推進します。市場規模は226年の2024億644万ドルから2029年には1310億65万ドルに拡大すると予想されます。Intel、InnoLight、TSMCは、Intelの2.5nm DFBレーザーやTSMCの3nm XNUMXD/XNUMXDインテグレーションといったプラットフォームで業界をリードしています。エピタキシャル設計およびモノリシック設計に関する今後の研究は、スケーラビリティの向上につながるでしょう。

まとめ：

未来を照らす光モジュールは、400Gから3.2Tまで、AIとビッグデータの需要に応えるべく進化を続けています。LPO、CPO、OIO、そしてシリコンフォトニクスは、高度な冷却技術とOCS技術を基盤に、新たな境地を切り開いています。これらの技術が成熟するにつれ、より高速で効率的なデジタルの未来を支えていくでしょう。