AI クラスターの規模が拡大し続けるにつれて、ポートの電力消費は800G/1.6T光モジュールデータセンターのPUEにとって、電力消費は重大なボトルネックとなっています。従来の完全DSPベースの光モジュール（FRO – Fully Retimed Optics）は、成熟した規格と長距離伝送を実現していますが、1ポートあたりの消費電力が14～16Wと高すぎるため、実用的ではない場合が多くあります。そのため、業界は従来のDSPベースのリニアアーキテクチャから離れ、LPOとLRO/TROという2つの主流のアプローチが生まれています。

LPO（Linear Pluggable Optics）は、モジュール内のDSPチップを完全に排除します。TX側はリニア駆動のダイレクトドライブレーザーを使用し、RX側はTIAを通過させたアナログ信号をホストASICに直接送り返します。イコライゼーション、CDR、FECデコードはスイッチングSerDesチップによって実行されます。これは「ゼロリタイミング」アーキテクチャとしても知られる設計です。その利点は大きく、OSFP-800Gポートの場合、標準的な消費電力は5～8Wに削減され、50%以上の省エネルギーを実現します。内部モジュール処理の遅延は3ns未満（光ファイバー伝搬遅延を除く）で、理論上のBOMコストは約15～20%削減されます。しかし、このアプローチにはトレードオフがあります。伝送距離が制限され（シングルモードのDR8の場合、標準的な範囲は500m以下、マルチモードの場合は約100m）、ホストSerDesのパフォーマンスとチャネルの一貫性に大きく依存します。システムのデバッグは複雑で、相互運用性の標準はまだ最終決定されていません。単一のラック内または隣接するラック間の超短距離相互接続に適しています。

LRO（Linear Receive Optics）とTRO（Transmit Retimed Optics）は、基本的に同じアーキテクチャ設計に対する2つの異なる名称です。前者は受信側から「linear」と呼ばれ、後者は送信側から「retimed」と呼ばれ、HalfRetimedアーキテクチャとしても知られています。このアーキテクチャでは、送信側は信号整形とリタイミングのためにDSPを保持しますが、受信側はDSPを排除し、直接信号出力のためにリニアTIAを使用します。このアプローチは、送信側の信号品質と受信側の消費電力のバランスを取っています。OSFPでカプセル化された800Gモジュールは通常約8～10Wを消費します。市販の量産製品は通常2kmの伝送距離をサポートしますが、カスタマイズされたバージョンでは最大5kmまでサポートできます。モジュールの内部処理遅延は約6ns（光ファイバー伝搬遅延を除く）で、中距離および短距離のデータセンター相互接続に適しています。次世代1.6T製品の改良版に関する議論の中で、業界はLRO/TROが性能とエコシステムとの互換性の面でより顕著なトレードオフ上の利点を提供し、LPOよりも高い導入可能性を持つと期待されるという点で広く合意している。

図1：光モジュールアーキテクチャの進化 – FRO/LROTRO/LPO信号ストリームの比較

表1：3つの光モジュールアーキテクチャの主要パラメータの比較

備考：

1. 消費電力とレイテンシは、OSFP 800G DR8/2×FR4モジュールの内部基準値であり、光ファイバー伝送のレイテンシは含まれていません。パッケージの種類、光エンジン、伝送距離の仕様によって、具体的なパラメータは異なる場合があります。
2. 標準的な範囲: LRO – 商用量産主流モデルでは、カスタマイズオプションとして 2 km と 5 km が提供されます。LPO ≤ 500 m はシングルモード DR8 仕様です。マルチモード LPO の範囲は約 100 m までです。FRO – 仕様に応じて、FR4 バージョンは最大 2 km、LR4 バージョンは最大 10 km をサポートします。

総じて、LPOは極めて高い消費電力と低遅延が求められるAIクラスタ向けに設計されていますが、LRO/TROは性能と電力効率のバランスを取ることで、より幅広い中距離から短距離のシナリオに対応します。これらのソリューションは、従来のFRO技術を置き換えるのではなく、補完するものです。製品選定の主な基準は、伝送距離、ホストSerDes機能、およびエコシステムの成熟度です。

よくある質問：

Q1：LPO、LRO/TRO、または従来のDSPモジュールの中から、どのように選択すればよいでしょうか？

A: 選択は伝送距離とホストチップの機能によって異なります。500m以下の距離（単一ラック内、または隣接するラック間の超短距離相互接続）の場合は、LPOを選択してください。LPOは消費電力が最も低く（5～8W）、内部モジュールの遅延も最小限です。25kmの中距離から短距離のDC相互接続の場合は、LRO/TROを選択してください。このオプションは消費電力と伝送距離のバランスが取れています。5kmを超える距離、またはプラグアンドプレイ機能と長距離伝送を必要とするアプリケーションの場合は、従来のDSPモジュールを使用してください。さらに、スイッチングチップのSerDesが線形受信モードをサポートしているかどうかを確認してください。標準のスイッチSerDesは、LPO/LROモードで直接動作することはできません。

Q2：LPOからDSPを取り除くことで、信号品質とビット誤り率はどのように確保されるのですか？

A：LPOは、イコライゼーション（CTLE/FFE/DFE）、クロックリカバリ（CDR）、およびFEC復号をモジュールからホスト側スイッチングチップのSerDesブロックに移行します。これにより、ホストSerDesの性能とPCBチャネルの一貫性に対する要求がより厳しくなります。ホストSerDesが必要なイコライゼーション機能とPCBチャネル性能仕様を満たしていれば、線形アプローチにより短距離シナリオでのリンク損失と色分散を低減できるため、FEC前のビット誤り率要件を満たすことができます。

Q3：LROとTROは同じものですか？なぜ2つの異なる名前があるのですか？

A: これらは同じアーキテクチャアプローチに対する2つの命名規則です。LRO（Linear Receive Optics）は受信側の観点から命名されており、つまり受信側ではDSPを使用せずに線形処理を行います。TRO（Transmit Retimed Optics）は送信側の観点から命名されており、つまり送信側ではDSPベースのリタイミング処理を維持します。どちらの用語も、送信側ではDSPを使用し、受信側では線形処理を行う半線形（HalfRetimed）アーキテクチャを指しており、この用語は業界ではしばしば互換的に使用されます。

Q4：LPO/LROモジュールは、従来のDSPモジュールと接続できますか？

A：光層のパラメータ（波長、電力、変調方式）が一致していれば、光インターフェースを物理的に接続できます。しかし、LPO/LROとFROの再同期/信号処理アーキテクチャは全く異なり、現在、成熟した相互運用性標準が存在しないため、ほとんどのシナリオで直接的なサービス統合は不可能です。ベンダー固有のカスタマイズされたバージョンのみ、綿密な共同デバッグを経て統合できますが、これらは普遍的な相互運用性を提供するものではありません。現在、OIFなどの組織がリニア光モジュールの相互運用性標準の開発に取り組んでおり、エコシステムはまだ成熟段階にあります。