AI時代のデータ通信イノベーション

トランシーバーの世界において、変化こそが唯一の不変の要素です。そして今、人工知能の進歩により、飛躍的な変化の幕開けを迎えています。

私はこのほど、Coherent勤続20周年を迎えました。ご存知の方も多いと思いますが、Finisar（Coherent）はプラグイン式トランシーバーのパイオニアであり、その名声は「Finisar」という名前がトランシーバーの代名詞となるほどでした。

通信ネットワークから企業のデータセンター、さらにはWeb 2.0のハイパースケーラーに至るまで、主要な市場動向における漸進的かつ画期的な変化により、過去20年間で多くのことが変わりました。

今日、私たちはまた別の大きな市場の転換期を迎えています。それは、人工知能（AI）と機械学習（ML）の劇的な成長です。これらの技術は、光トランシーバーの歴史における新たな章を切り拓くことになるでしょう。そして、Coherentではすでにその章を書き始めているのです。

これは重要な話です。なぜなら、トランシーバーは、私たちの暮らす現代社会において、目には見えないものの、不可欠な要素だからです。自覚しているかどうかに関わらず、私たちのほとんどは、毎日光ファイバーネットワークとトランシーバーを利用しています。

簡単な例を挙げると、検索エンジンの利用が挙げられます。検索クエリを入力してから結果が表示されるまでの間に、一体何が起きているか考えたことはありますか？平均的な検索クエリは、光ファイバーネットワークを介して数百マイル離れたデータセンターまで行き来します。データセンター内では、たった1つの検索クエリに対して、何百台ものコンピュータが動員されて回答が抽出されます。  これらのコンピュータは、光ファイバーを使ってネットワークで接続されています。光トランシーバーは、電気信号を光信号に変換し、再び電気信号に戻すという重要な役割を果たしています。つまり、今日検索を行った場合、光ファイバーネットワークを利用しており、その信号はCoherent を経由して伝送された可能性が高いのです。

なぜAIのイノベーションにはネットワークのイノベーションが必要なのか

まずは市場の動向について少し見ていきましょう。

OpenAIのChatGPT、GoogleのBard、あるいはMicrosoftのBingについて、多くの人が記事を読んだり実際に使ったりしたことがあるでしょう。実際、OpenAIのChatGPTは史上最も急成長したアプリと呼ばれており、わずか2ヶ月で1億人のユーザー数を達成しました。

「でも、これとトランシーバーとは一体何の関係があるの？」と疑問に思うかもしれません。

AIは、数十億ものパラメータを含む既存のデータセットを用いて学習させる必要があります。これには膨大な計算能力が必要であり、その処理は数万台のプロセッサに分散されます。こうした新たな要件に対応するため、データセンターでは根本的なアーキテクチャの見直しを行い、AIや機械学習専用のサーバーやネットワーク機器を導入しています。

ネットワークのフロントエンド（レベル1）は、リーフスイッチやトップ・オブ・ラック（ToR）スイッチに接続されたスパインスイッチという従来のアーキテクチャを維持しています。AI/MLサーバーやアクセラレータ搭載コンピューティングデバイスで構成される、ネットワークの新たな高速コンピューティング部分（レベル0またはバックエンド）は、従来のコンピューティングおよびストレージと並行して、従来のネットワークに追加されます。このネットワークの全レベルにおいて、トランシーバーを含む光インターコネクトが使用されています。  

AI/MLサーバーとその接続基盤に加え、従来のコンピューティングおよびストレージサーバーの接続により、データセンター内の光リンクの数が増加しています。

トランシーバーの速度は、ネットワークのパフォーマンスにとって極めて重要です。AIやMLに対応するためのネットワークの変化により、当社をはじめとする業界各社は、かつてない速さでより高速なトランシーバーの導入を迫られています。  わずか20年前、光トランシーバーの最高データレートは10Gでした。今日、Coherentデータ通信部門の売上高の50%以上は、200G以上のデータレートを持つトランシーバーによって生み出されています。  AI/MLの導入拡大に伴う需要に後押しされ、800Gトランシーバーはすでに量産出荷されており、最初の1.6Tトランシーバーも今後数年のうちに出荷される見込みです。5年後には、800Gおよび1.6Tデータ通信用トランシーバーの市場規模は、他のすべてのデータ通信用トランシーバーを合わせた規模を上回ると予想されており、その主な要因はAIとMLです。

Coherent、AIおよびMLの要件に適合したトランシーバーの包括的な製品ラインナップをすでに揃えています。これらのトランシーバーはプロトコル非依存型であり、同じハードウェアでイーサネットやInfiniBandに加え、NVIDIAのNVLinkといったAI・ML向けの独自プロトコルにも対応可能です。Coherent 、これらのトランシーバーおよびその中核技術におけるエキスパートとして広くCoherent 。

垂直統合 → 迅速なイノベーション → より高速なトランシーバー

このニーズに応えるためにトランシーバーの速度を向上させるには、極めて急速な技術革新が必要とされてきました。では、どうすればよいのでしょうか？

長年にわたり、当社は戦略的な投資を行ってきた結果、他社にはない独自の垂直統合体制を確立しています。当社はトランシーバーの設計・製造を自社で行うだけでなく、レーザー、 検出器、 受動光学部品など、多くの部品の設計・製造も自社で行っています。  新しい部品を必要とするトランシーバーを設計する際、当社は信頼できる開発パートナーからその部品を調達するか、あるいは社内で設計・製造します。何を自社開発し、何をサプライヤーと共同開発するかは、ビジネスケース、市場投入までの期間、および戦略的配慮に基づいて決定しています。

Coherent 、トランシーバー用の多くの部品を自社内でCoherent 。上：Coherent開発した集積回路。

最先端のデータ通信技術で世界をつなぐ

CTOとして、また15年間にわたり当社のデータ通信用トランシーバー開発部門を率いてきた者として、市場からの需要が高まっている800Gおよび1.6Tトランシーバーを開発するために、当社が垂直統合体制――特に最先端のレーザー技術群――をどのように活用しているか、その詳細について少しお話しさせてください。

800Gおよび1.6Tのトランシーバーには、100G/レーンおよび200G/レーンのレーザーが必要です。使用するレーザーの種類は、データレートとファイバーリンクの長さによって決まります。  一般的に、ネットワークのAI/MLファブリック部分（レベル0）における相互接続は50m未満、ToRスイッチとスパインスイッチ（レベル1）を接続する相互接続は最大500m、スイッチとルーター、またはルーター同士（テレコムアクセス）を接続する相互接続は2～10kmです。これらの距離や用途ごとに、最適なレーザー技術が異なります。

カリフォルニア州フリーモントにあるCoherent 研究開発ラボ。

100 m未満のリンク距離（レベル0の相互接続およびレベル1の相互接続の一部を含む）には、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）が使用されます。これらは、当社のガリウムヒ素（GaAs）技術プラットフォームに基づいています。VCSELは一般的に最も低コストで低消費電力のソリューションであり、100 m未満の接続において最適なレーザーです。  AI/MLアプリケーション向けのVCSELベースのトランシーバーに対する需要が大幅に高まっています。  

Coherent 、米国および欧州に複数の6インチGaAs VCSEL製造工場をCoherent 。当社は世界有数のVCSEL量産メーカーの一つであり、データ通信および民生用アプリケーションの両方に向けてVCSELを出荷しています。  当社の100G/レーンVCSELは、400Gおよび800Gトランシーバーに対応するため量産中です。現在、200G/レーンVCSELの開発を進めていますが、これにはVCSELデバイスの設計および製造プロセスにおいて大幅な変更が必要となります。

6インチガリウムヒ素ウェハー上で製造された高速VCSEL。

VCSELでは対応できない長距離のレベル1スイッチングや、通信アクセス用途には、シングルモードデバイスが使用されます。これらのデバイスは、リン化インジウム（InP）材料から製造されています。Coherent 、米国および欧州に複数のInP製造工場Coherent 。 当社のInP技術プラットフォームは、過去20年間に2億個以上のデータ通信用レーザーが実環境で導入されており、業界でも数少ない大規模な実証実績を持つものです。当社のレーザーは、世界中のほぼすべてのネットワークOEMおよびWeb 2.0企業によって認定・導入されており、その豊富な経験を活かして、シングルモード800Gおよび1.6Tトランシーバーに対応するレーザーを開発しています。

レベル1のリンク距離が100 mを超える場合、シリコンフォトニクスベースのトランシーバーを使用することができます。  すべてのシリコンフォトニクス製品は、光を発生させるためにInP連続波（CW）レーザーを必要とします。当社はこれらのレーザーを市場に提供しているほか、2022年9月に開催された欧州光通信会議（ECOC）で実証したシリコンフォトニクスベースの800G-DR8トランシーバーなど、自社開発のトランシーバー設計にも活用する計画です。

100 mを超えるレベル1リンクや、通信アクセス（2～10 km）では、吸収 レーザー（EML）が使用される場合があります。  当社は、400Gおよび800Gトランシーバーに対応する100G/レーンのEMLを製造しており、その一例として、2022年のECOCでも実演を行ったEMLベースの800G DR8トランシーバーがあります。また、同ECOCでは200G/レーンのEMLも発表し、Lightwave Innovation Reviews Awardを受賞しました。

200G/レーンのトランシーバーの実現に向けて、EMLを使用した場合であっても、10 kmの伝送距離を達成することは大きな課題となっています。この用途において、当社は「DFB-MZ」（Distributed Feedback Laser with Mach Zehnderの略）レーザ技術 、画期的な最新レーザ技術 大きな期待を寄せています。  これは、InP CWレーザーとInPマッハツェンダー変調器をモノリシックに集積したものです。このレーザ技術 最大10kmの伝送距離を実現する1.6Tトランシーバーレーザ技術 。これは、200G/レーンのレーザ技術において、まさに最先端の技術です。

Coherent 、OFC 2023において、200G PAM4対応のモノリシック集積型分散帰還レーザー・マッハツェンダー変調器技術Coherent 。

私たちの約束：AI時代のイノベーションを推進する

私たちがAIの時代を迎えつつあることは間違いありません。実際、私たちはすでにその時代の中にいます。Coherentでは、イノベーションのリーダーとして、画期的な技術を通じてお客様が未来を切り拓けるよう支援することをお約束します。

20年以上にわたりデータ通信用トランシーバーの分野をリードしてきた当社は、今後も革新を続け、技術のリーダーとしての地位を維持し、お客様のニーズに応えるデータセンターを実現するためのソリューションを大量に提供していく所存です。AIやMLの力を引き出すハードウェアソリューションの一翼を担えることを、大変嬉しく思っています。 そして、信じられないかもしれませんが、20年が経った今でも、この変化の激しい、そして大きな影響力を持つ光通信の世界で働けることに、以前と変わらぬ興奮を覚えています。

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