100 Gbps 対応 Cisco CPAK ソリューションホワイトペーパー

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ゆりかつくとの
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ホワイトペーパー 100 Gbps 対応 Cisco CPAK ソリューション概要現在データトラフィックが世界中で急速な拡大を続ける中でインターネットの中核を担うネットワークとデータセンターは増大するデータトラフィックへの対応に苦慮していますその最大の障害となっているものは光相互接続テクノロジーであるといえますそこで光トランスポートを変革する新しいテクノロジーとして登場したのが

特定用途向け集積回路 ) の作成に使用するのとまったく同じ CMOS 製作設備と設計ツールを使用して光デバイスを設計製造できるようになりました光モジュールに対し初めて CMOS の革新的技術と効率性を活用できるようになったわけですまた初めてムーアの法則を電気的機能と同様に光ファイバー機能にも適用できるようになりました Cisco テクノロジーはこの変革をリードする存在です

1 ホワイトペーパー 100 Gbps 対応 Cisco CPAK ソリューション概要現在データトラフィックが世界中で急速な拡大を続ける中でインターネットの中核を担うネットワークとデータセンターは増大するデータトラフィックへの対応に苦慮していますその最大の障害となっているものは光相互接続テクノロジーであるといえますそこで光トランスポートを変革する新しいテクノロジーとして登場したのが Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS; 相補型金属酸化膜半導体 ) フォトニクスです CMOS フォトニクスは複数の回路コンポーネントを効率性の高い設計に統合した上で回路全体を直接シリコンウェハーにプリントするという CMOS 製作プロセスを光デバイス製造に適用していますこれにより CMOS プロセスを使用し ASIC( 特定用途向け集積回路 ) の作成に使用するのとまったく同じ CMOS 製作設備と設計ツールを使用して光デバイスを設計製造できるようになりました光モジュールに対し初めて CMOS の革新的技術と効率性を活用できるようになったわけですまた初めてムーアの法則を電気的機能と同様に光ファイバー機能にも適用できるようになりました Cisco テクノロジーはこの変革をリードする存在ですシスコは業界で初めて CMOS フォトニクスを統合した IEEE 標準準拠の着脱可能なトランシーバーモジュールのポートフォリオによりこれまでよりも小型で高速かつ電力効率の高い新しい世代の 100 Gbps 光ファイバーソリューションを発表します Cisco CPAK は 40 年の間に CMOS 業界に投じられた 4000 億ドルの投資を活用したソリューションであり次世代の光ネットワークと光トランスポートに求められる容量を実現するための基盤となっています Cisco CPAK シスコは CPAK を構築することで完全な製品ポートフォリオを提供しますこれによりサービスプロバイダーはトランスポートからルーティングスイッチングに至るさまざまなクライアント側アプリケーションで先進の CMOS フォトニクスを利用できますこれらのソリューション群は業界最小のフォームファクタで効率性の最も高い 100 Gbps 光トランシーバポートフォリオです Cisco CPAK は複数の IEEE 標準の光インターフェイスで提供されます最初に発売するモジュールは Cisco CPAK 100GBASE-SR10 と CPAK 100GBASE-LR4 です ( 図 1 を参照 ) 図 1 Cisco CPAK 100GBASE-LR4 シスコが発売する製品の中で最初に CPAK が実装されるのは Cisco 100 Gbps DWDM Coherent Transponder ラインカードです CPAK はサイズが小さいのでラインカードに組み込むことができ別個の C Form-Factor Pluggable(CFP) クライアントインターフェイスカードを使用する必要がありませんこれにより広範なクライアント側インターフェイスを提供しつつ従来 2 個のシャーシスロットを占有していたソリューションを単一のシャーシス All contents are Copyright Cisco Systems, Inc. All rights reserved. This document is Cisco Public Information. Page 1 of 6

2 ロット対応に簡素化することができますこのラインカードによりサービスプロバイダーの既存のシスコ光シャーシの潜在的帯域幅が拡大すると同時にコヒーレントの高密度波長分割多重 (DWDM) の各チャネルの電力消費が低減します世界規模のニーズへの対応新しい通信ビデオモバイルアプリケーションの登場によりインターネットの使用形態が変化しこれまでにない速度と容量が求められるようになりましたデータ量の増大については次のように予測されています Cisco Visual Networking Index (Cisco VNI ) によると 2010 ~ 2015 年の間モバイルデータのトラフィックの年平均成長率 (CAGR) は 92 % 増加すると予測されています 2012 年 1 月現在毎秒 1 時間分の動画が YouTube にアップロードされています Cisco VNI は 2014 年までに動画のトラフィックが他の IP トラフィックの 4 倍になると予測しています Cisco VNI の推計によると全体的な規模としては全世界の IP トラフィックは 2016 年までに月間 110 エクサバイトに達する見込みですこれは DVD 270 億枚 MP3 プレーヤー 26 兆台テキストメッセージ 78 京に相当する途方もないトラフィック量です 2016 年までにインターネットユーザは 34 億人接続デバイスは 500 億台にまで増大しますデータセンターのトラフィックの 3 分の 2 近くをクラウドが占めるようになりますまたクラウドベースの負荷が従来のサーバの 4 倍になりますこのように急激なデータ量の増加に伴ってデータセンターは拡大を続けています Google Apple Amazon の新しいデータセンターは数十万平方フィートに及ぶ面積がありますまた現在計画中の世界最大規模となる IBM と Range Technology のデータセンターの面積は 600 万平方フィートとなる予定ですまた仮想データセンターへの移行に伴いデータセンター間 ( イースト-ウェスト ) でのトラフィック量が増大しこのようなフラットなアーキテクチャ内で相互接続数が増加する原因となっていますこのような動向に対してサービスプロバイダーは膨大な量の機器を導入したため消費電力はこれまでにない量に達しておりその対応に迫られています 2007 年の米国環境保護庁の推計では 2011 年までに米国内の総発電量の 2 % がデータセンターにより消費されるとしていますこの電力の多くは機器の冷却に使用されますデータセンターのルータスイッチサーバでは ASIC が普及し年々小型化高速化省エネルギー化が進んでいるのに対し光相互接続では ASIC が十分に活用されていません着脱可能なトランシーバーモジュールを使用することでサービスプロバイダーは同じラック内または離れた場所にある機器同士の高速接続に必要となる柔軟性が得られますしかし今日のソリューションは物理的サイズも電力消費も大きいためこの機器のポート密度帯域幅に限界が生じてしまいますこのようなソリューションでは通常ラインカードフェースプレートに設置できるモジュール数の制約を受けます結論として従来型の光トランシーバとその従来型の製作プロセスでは将来の世界的なトラフィックのニーズに対応しきれなくなってしまうのですサービスプロバイダーとデータセンターオペレータは次のような新しい光ソリューションを必要としています導入コスト (CapEx) の削減 : 高度な統合性と拡張性および小さな設置面積で提供される可能な限り多くの機能と容量運用コスト (OpEx) の削減 : 電力消費の大幅削減発熱量の低減より新しい柔軟なアーキテクチャの活用これらの目標を達成するためには次世代の大容量光モジュールにより光ネットワーク機器のフェースプレートの帯域幅を拡大する必要があります通信速度がこれまで以上に高速化されるにつれ光ソリューションもまたこれまで以上の帯域幅密度を持つバックプレーンと現在のテクノロジーから一歩進んだチップ間の相互接続が必要になります画期的な CMOS フォトニクステクノロジーを使用した Cisco CPAK 光ソリューションはこれらのニーズをすべて満たすことができます All contents are Copyright Cisco Systems, Inc. All rights reserved. This document is Cisco Public Information. Page 2 of 6

Cisco CPAK:CMOS フォトニクスの利用ドットコムビジネスの興隆に伴い光通信テクノロジーと送電テクノロジーが大きく進歩しましたしかし 2001 年以降に ASIC がムーアの法則に従って飛躍的に進化したのに対し光通信の技術革新は立ち遅れていました光インターフェイスが 100 Gbps に達した現在でもなおモジュールの物理的な大きさ

3 Cisco CPAK:CMOS フォトニクスの利用ドットコムビジネスの興隆に伴い光通信テクノロジーと送電テクノロジーが大きく進歩しましたしかし 2001 年以降に ASIC がムーアの法則に従って飛躍的に進化したのに対し光通信の技術革新は立ち遅れていました光インターフェイスが 100 Gbps に達した現在でもなおモジュールの物理的な大きさモジュールから放出される過剰な熱や電力消費によりネットワークやデータセンター機器の規模を拡大して世界規模のニーズに対応することには限界があります電気通信技術と光通信技術にはなぜこのような差が生まれたのでしょうか ASIC は CMOS 製作プロセスによりきわめて大きなメリットを得ています半導体設計の進歩に伴い CMOS プロセスを利用した ASIC の小型化高性能化効率化が進みましたさらに次に示すような半導体業界における好循環によって CMOS 業界に利益がもたらされていますまず高性能低コストの製品に対するニーズが技術革新を促します新たな技術革新が起こるとウェハースケールプロセスが持つ本来的な性質によりただちに規模が拡大しますこのプロセスによって消費者市場で低価格化と量産化が起きますこれはさらなる投資を呼び次の技術革新につながります半導体業界を牽引してきたこの循環はゴードンムーアが 1965 年に発表したムーアの法則において指摘されていたものです ( 図 2 を参照 ) 図 2 このムーアの法則の基盤となる技術革新の循環こそが CMOS フォトニクスを後押ししています現在の CMOS にはパフォーマンスと効率性を向上させる成熟した一連の設計ツールと再現可能な製造プロセスが網羅されています CMOS 製作は現時点で数千億ドル規模の世界的な業界でありあらゆるコンピューティング製品や電子製品はより小型で高速安価な CMOS チップの製造を追求する絶え間ない努力のたまものであるといえますこれに対して同時期の光テクノロジーの進歩は遅々たるものでした今日の光ソリューションにおいてほとんどのフォトニック要素 ( モジュレータスイッチ光検出器 ( フォトディテクタ ) など ) は独立して製造されて組み立てられそれぞれの特定の機能についてのみ個別に最適化されますそのため光ソリューションは事実上いつまでもハイブリッドソリューションのままなので製造にコストと時間がかかりエネルギーを非効率に消費および消散しているのが現状ですこの状況を一変させるのが CMOS フォトニクスですフォトニクス要素を CMOS 製造プロセスに統合することによりシリコンメーカーが ASIC を製造するのと同じ方法で小型の CMOS に直接プリントできるようになりますこのソリューションではすべての光操作と制御が CMOS レベルのシグナリングによって実行され光要素が駆動および制御されるので非常に効率的で低電力の光回路が可能になります All contents are Copyright Cisco Systems, Inc. All rights reserved. This document is Cisco Public Information. Page 3 of 6

シスコは他社に先駆けて CMOS フォトニクス着脱可能トランシーバを光ネットワークおよびデータセンター用の光ソリューションとして実用化しましたシスコは光テクノロジーの進化の速度が世界的なニーズに十分対応していないことを認識しておりこのギャップを埋めるべく光 CMOS 革命の実現に投資したのです CPAK 光ソリューションの新しいポートフォリオによってシスコは顧客の声に耳を傾け

4 シスコは他社に先駆けて CMOS フォトニクス着脱可能トランシーバを光ネットワークおよびデータセンター用の光ソリューションとして実用化しましたシスコは光テクノロジーの進化の速度が世界的なニーズに十分対応していないことを認識しておりこのギャップを埋めるべく光 CMOS 革命の実現に投資したのです CPAK 光ソリューションの新しいポートフォリオによってシスコは顧客の声に耳を傾けそのソリューションに対して長期的な投資を行っています標準ベースの着脱可能な光ソリューションにおける CMOS フォトニクスの登場により光トランスポートは半導体業界のこれまでにない技術革新インフラストラクチャ拡張性からメリットを得られるようになりましたついにムーアの法則を光通信の世界にも適用できるようになりサービスプロバイダーは光ソリューションが将来にわたってグローバル IP トラフィックの需要に対応できると確信するようになったのです CMOS フォトニクスの仕組み CMOS フォトニクスは標準の内蔵回路設計プロセスを使用して光通信の構成要素を作成します開発済みの高速変調器導波管光マックスポンダなどの光信号要素をシリコンウェハーに直接組み込んで複製することができます設計者は Cadence や Mentor Graphics などの業界標準の CMOS 設計ツールを使用して光回路の回路図を開発しシミュレーションを行いチップレイアウトとポストレイアウトのシミュレーションを行った後 ASIC 設計と同様のグラフィックデータシステム (GDS) を生成します ( 図 3) 次に標準の CMOS 製作プロセスにより光チップ設計がウェハー上に複製されますこれらのウェハーは必要に応じてシリコンファウンドリに複製することができますこの手法により現在の ASIC に存在するのと同じ再現性一貫性サプライチェーンのセキュリティが光チップ設計において実現するのです図 3 CMOS フォトニック回路設計 CMOS フォトニクスの利点 CMOS プロセスを光テクノロジーに適用することの利点についてはいくら強調してもしすぎるということはないでしょう CMOS を光通信の領域に拡大させることにより現在大きな成功を収めている CMOS メーカーは ASIC とまったく同じ標準の CMOS プロセスと設計ツールを使用してほぼすべての用途に対応する光回路を提供できるようになります CMOS メーカーには 1 週間のウェハー投入枚数が数百万枚にのぼり年間数千億ドルもの収益をもたらす既存のウェハースケール製作インフラストラクチャがすでに存在し作成した設計をこのようなインフラストラクチャに直接統合することができます All contents are Copyright Cisco Systems, Inc. All rights reserved. This document is Cisco Public Information. Page 4 of 6

5 その結果光テクノロジーはその歴史で初めて高速で効率性に優れた CMOS 設計に投下された数十億ドルに上る投資を活用できるとともにより強固な統合設置面積の縮小電力消費量の節減コスト削減に向けた業界全体の継続的なトレンドの波に乗じることができますこれによりムーアの法則が光通信の技術革新に適用できるようになり新世代の光設計と効率性を実現できるようになりました CPAK と現世代のテクノロジーとの比較光ラインカードの容量は設計時点のテクノロジーによって制限されることがありテクノロジーの電力消費とラインカードの前面プレートに物理的に取り付けられる光モジュールの数に影響を与えますこのような制限の結果現世代のラインカードはデータレートが大きくても容量に対するニーズを満たすことはできませんそのため以下について考慮する必要性が生じてきます拡張 Small Form-Factor Pluggable(SFP+) モジュールは 48 ポートが上限で各ポートは 1 W ですしたがってトランシーバの消費電力は 48 W で 480 Gbps が提供されます拡張 Small Form-Factor Pluggable(SFP+) モジュールは 100 Gbps の容量を提供しますがモジュールの設置面積と消費電力が大きいため効果的に拡張することができません CFP は通常 1 枚のラインカードにつき 2 ポートが上限で各ポートは 24 W ですしたがってトランシーバの消費電力が 48 W で 200 Gbps が提供されますシスコの CMOS フォトニクステクノロジーである CPAK はこれらの障害をすべて克服しました Cisco CPAK モジュールは CFP モジュールのわずか 3 分の 1 のサイズで消費電力は 3 分の 1 未満です ( 通常 CPAK 100GBASE-LR4 で 5.5 W 未満 ) したがって 100 Gbps のポートを 10 個以上サポートすることができわずか 55 W のトランシーバの消費電力で 1 テラビット容量のラインカードが実現できます現行の 10 Gbps トランシーバでは 480 Gbps に対応時に 48 W が消費されるので容量は CPAK の半分以下となっています CPAK は IEEE 標準のインターフェイスを搭載しているため IEEE 準拠のインターフェイスを持つ他のモジュールフォームファクタとの相互接続が可能ですつまりサービスプロバイダーやデータセンターはこれまでにない容量拡張性効率性を実現ししかもマルチベンダー環境での相互運用機能を維持できるようになるのですまとめ世界規模で増加傾向にあるデータトラフィックにより私たちは困難な課題に直面していますしかしこの課題は克服できないものではありません増大するデータトラフィックに対処するための鍵は新世代の光相互接続テクノロジーですシスコは技術革新によってこの業界のニーズに対応しフォトニクスの開発と製造において新たな進化をもたらしますより小型で高速かつ効率性の高い回路を実現するロードマップは CMOS の設計と製造という形ですでに現実のものとなっていますシスコが標準ベースの 100 Gbps プラットフォームで光テクノロジーを CMOS プロセスおよび CMOS ツールと組み合わせて提供することによりサービスプロバイダーやデータセンターオペレータは現在の導入コストと運用コストを削減し将来のデータトラフィックのニーズに対処できるようになります Cisco CPAK の詳細についてはを参照してください All contents are Copyright Cisco Systems, Inc. All rights reserved. This document is Cisco Public Information. Page 5 of 6

6 2013 Cisco Systems, Inc. All rights reserved. Cisco Cisco Systems およびCisco Systemsロゴは Cisco Systems, Inc. またはその関連会社の米国およびその他の一定の国における登録商標または商標です本書類またはウェブサイトに掲載されているその他の商標はそれぞれの権利者の財産ですパートナーまたは partner という用語の使用はCiscoと他社との間のパートナーシップ関係を意味するものではありません (0809R) この資料に記載された仕様は予告なく変更する場合があります C JA シスコシステムズ合同会社東京都港区赤坂ミッドタウンタワーお問い合わせ先 : シスココンタクトセンター ( フリーコール携帯 PHS 含む ) 電話受付時間 : 平日 10:00~12:00 13:00~17:00 お問い合わせ先

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