シリコン･フォトニクス
高速光コネクティビティによるクラウドAIのスケーリング
データセンターで増大するコンピューティング需要への対応方法
AIインフラの拡大に伴い、データ転送の高速化ならびに高効率化のニーズが高まっています。生成AI、エージェントAI、大規模言語モデルの普及により、データセンターのインフラは転換期を迎えつつあり、帯域幅、遅延、消費電力、熱的制約が従来の電気インターコネクトの制限要因になり始めています。
次世代のAIデータセンターでは、高帯域幅インターコネクトは電気信号から光への移行が進んでいます。シリコン・フォトニクスは、拡張に必要な到達距離、帯域幅密度、bitあたり消費電力の削減を可能にし、2024年から2030年の間に、AIクラスタで使用される光コネクティビティに占める割合が43%から76%に成長すると予測されています（LightCounting社）。
STのPIC100シリコン･フォトニクス･プラットフォームは、AIおよびクラウド･インフラ向けの高速光コネクティビティを実現することで、この移行を加速させます。
PICプラットフォームについて
PIC100は、大規模な変調、符号化、およびデータ伝送向けに設計された先進的なシリコン･フォトニクス･プラットフォームです。
現在量産中で、最大100Gbaudの速度と800Gb/s ~ 1.6Tb/sの光モジュールに対応する実証済みの基盤を提供します。
さらに、200Gbaudを目標とする次世代プラットフォーム「PIC200」を開発中です。
PIC100は、STのクロル工場（フランス）にある300mmファブで製造されています。2027年までに製造能力を4倍以上の規模に拡大する計画で、ハイパースケーラや光トランシーバ･メーカーに拡張性の高いシリコン･フォトニクス製造能力を提供しています。STは、統合型半導体メーカーとして、AWSとの複数年にわたる戦略的提携を含め、長期的な供給計画に対応するため、PIC100を自社で製造しています。
AIデータセンター内のネットワーク･コネクティビティ：各種スケーリング手法
AIインフラは、サーバまたはラック内のGPUやアクセラレータを密接に結合するスケールアップ、AIクラスタ内のサーバやラックを接続するスケールアウト、キャンパス、都市圏、または複数のデータセンターの間で異なるAIクラスタをリンクするスケールアクロスという、3種類のコネクティビティ･レイヤで展開されます。
- スケールアップ･ネットワークは、サーバまたはラック内のGPUやその他のアクセラレータ、メモリ、スイッチ･ファブリックを接続するもので、その距離は通常1メートルから5メートルです。その役割は、分散リソースを可能な限り単一の高性能システムのように動作させることです。スケールアップ･ネットワークには、超高帯域幅、超低遅延、高I/O密度、および送信bitあたりの消費電力（pJ/bit）の低減が求められます。アクセラレータの数と帯域幅需要の増加に伴い、電気I/Oが性能面と物理領域面でのボトルネックとなります。NPO（Near-Packaged Optics）とCPO（Co-Packaged Optics）は、より高い帯域幅密度と優れたエネルギー効率をコンパクトなサイズで実現し、これらの制約の克服に役立ちます。
- スケールアウト･ネットワークは、AIクラスタ内のサーバやラックを接続するもので、その距離は10メートルから100メートル程度です。通常はEthernetベースのファブリックを使用して、分散トレーニングや分散推論に必要な大容量の東西トラフィックを伝送します。スケールアウトでは、モジュール性、保守性、到達距離が重視され、通常はプラガブル光トランシーバを使用して、フロア内または建物間でスイッチやサーバを接続します。
- スケールアウトを超えるスケールアクロス･ネットワークは、単一のクラスタやサイトを超えてコネクティビティを拡張するもので、その距離は数キロメートルから数百キロメートルに及びます。複数のデータセンター間で異なるAIクラスタを接続してネットワークを拡張することで、より大規模な論理コンピューティング･ドメインを形成します。スケールアクロス･ネットワークは、電力、スペース、または容量の制約により、ワークロードを物理的に離れた場所に分散させる必要がある場合に使用されます。通常、管理可能な遅延と運用上の柔軟性を維持するために、長距離光インターコネクトに依存します。
クラウド･インターコネクトにおける光ファイバの役割の拡大
STの光エンジン向け技術ポートフォリオ
GPUやスイッチ、サーバは、データを電気信号として処理･転送します。プラガブル光トランシーバは、これらの信号を光に変換して光ファイバを介して伝送し、受信側で電気信号に変換します。
これらのモジュールは、電気的コンピューティング･インフラと高速光ネットワーク間のリンクを形成します。帯域幅、到達距離、および電力密度の要件が高まり続ける中、光エンジンはシステム･レベルの性能要件を満たす上で極めて重要な役割を果たします。
STは、光学機能用のシリコン・フォトニクス、電気シグナル･コンディショニング用のBiCMOS、制御用のマイクロコントローラなど、光エンジン内で使用される各種テクノロジーを提供しています。この幅広い技術ポートフォリオは、トランシーバ･メーカーによる迅速な製品化に貢献します。
PIC（光集積回路）はモジュールの光コアで、光変調、導波路、光検出などの機能を統合し、電気データと変調光との変換を可能にします。ST独自のPIC100シリコン･フォトニクス･プラットフォームは、レーンあたり200GbpsのPAM4動作用に設計されており、次世代の800Gb/sおよび1.6Tb/sのプラガブル･トランシーバをサポートします。
ST独自のシリコン･ゲルマニウム技術「BiCMOS B55X」は、送信側のレーザ･ドライバと受信側のインピーダンス変換用アンプを含む、PICに対する高速 電気インタフェースを提供します。超高速光リンクに必要な帯域幅、シグナル･インテグリティ、電力効率を提供するように設計されています。優れたリニアリティにより、リニア･プラガブル･オプティクスに最適で、DSPの必要性を減らすことで電力効率を向上させるアーキテクチャを実現します。
STM32H5などのSTM32マイクロコントローラは、モジュール設定、モニタリング、診断、およびシステム管理機能を提供し、ソフトウェア･ツール、開発環境、長期供給体制を含む広範なSTM32開発エコシステムによって支えられています。
現在：プラガブル･オプティクス
プラガブル･オプティクスは100Gb/sと400Gb/sをサポートし、800Gb/sおよび1.6Tb/sへの拡張も進んでいます。フロント･パネル･モジュールを通じて優れたモジュール性と柔軟性を提供し、スケールアウト･コネクティビティに広く使用されています。
フェーズ2：NPO（Near-Packaged Optics）
NPOは、ホスト基板上のプロセッサに光エンジンを近づけることで、電気経路を短縮します。それにより、帯域幅密度とエネルギー効率が向上し、スケールアップ･ネットワークのニーズにより適切に対応できます。
フェーズ3：CPO（Co-Packaged Optics）
CPOは、プロセッサと同じ基板上に光エンジンを統合します。このアプローチでは、TSV（Through-Silicon-Via）などの先端パッケージ技術を使用して、電力効率とデータ密度のさらなる向上を図り、最も要求の厳しいスケールアップ･アーキテクチャや高密度アーキテクチャにおいて、3.2Tb/s以上の実現を目指します。
光コネクティビティの未来
データセンター･トラフィックの増加が続く中、光インターコネクトの採用が進んでいます。アーキテクチャは高帯域幅化、電力効率化、高集積化という3つの重要な要件への対応に向けて進化しています。
プラガブル･モジュールからNPO、CPOへと段階を追うごとに電気経路が短縮され、光データ伝送がプロセッサに近づいていきます。
光コネクティビティの未来
データセンター･トラフィックの増加が続く中、光インターコネクトの採用が進んでいます。アーキテクチャは高帯域幅化、電力効率化、高集積化という3つの重要な要件への対応に向けて進化しています。
プラガブル･モジュールからNPO、CPOへと段階を追うごとに電気経路が短縮され、光データ伝送がプロセッサに近づいていきます。
現在：プラガブル･オプティクス
プラガブル･オプティクスは100Gb/sと400Gb/sをサポートし、800Gb/sおよび1.6Tb/sへの拡張も進んでいます。フロント･パネル･モジュールを通じて優れたモジュール性と柔軟性を提供し、スケールアウト･コネクティビティに広く使用されています。
フェーズ2：NPO（Near-Packaged Optics）
NPOは、ホスト基板上のプロセッサに光エンジンを近づけることで、電気経路を短縮します。それにより、帯域幅密度とエネルギー効率が向上し、スケールアップ･ネットワークのニーズにより適切に対応できます。
フェーズ3：CPO（Co-Packaged Optics）
CPOは、プロセッサと同じ基板上に光エンジンを統合します。このアプローチでは、TSV（Through-Silicon-Via）などの先端パッケージ技術を使用して、電力効率とデータ密度のさらなる向上を図り、最も要求の厳しいスケールアップ･アーキテクチャや高密度アーキテクチャにおいて、3.2Tb/s以上の実現を目指します。
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