LPO、NPO、CPOとは何か？光インターコネクト技術に関する知識

LPO、NPO、CPOの台頭

LPOとは？ リニアドライブ・プラグイン光学系

LPO（Linear-drive Pluggable Opticsの略）は、2022年にMacomとNVIDIAが提案した革新的な光モジュールパッケージング技術です。その核心となるアイデアは、光モジュールにおける従来のデジタル信号処理（DSP）チップとクロックデータリカバリ（CDR）チップを廃止し、純粋なアナログ方式の「リニアダイレクトドライブ」光リンクを構築することです。この設計は、DSPチップによる高消費電力と高遅延という課題を直接解決するため、短距離かつ高性能な用途に最適です。

LPOの動作原理

信号の等化、リタイミング、補償にDSPとCDRに依存する従来の高速相互接続ソリューションとは異なり、LPOは信号処理パスを簡素化します。

● 送信機：高直線性ドライバチップが光変調器を直接駆動し、デジタル処理なしで電気信号を光信号に変換します。

● 受信機：高直線性トランスインピーダンスアンプ（TIA）が光電変換と信号増幅を行い、アナログ信号経路を維持します。

●信号補償：モジュールのDSPが元々処理していた信号等化および補償タスクは、ホスト側のxPUのSerDes（シリアライザ/デシリアライザ）に移行されるため、xPUのアナログ信号処理能力に対する要求が高まります。

LPOの主な利点

● 低消費電力： DSPチップを排除することで、モジュールの消費電力を30%～50%削減できます。従来のDSPソリューションと比較すると、50%以上の削減も可能です。これは、エネルギーコストの削減とPUEの最適化を目指すデータセンターにとって、非常に重要な利点となります。

● 低コスト： DSPチップは、従来の光モジュールの部品コストの20%～40%を占めています。DSPを排除することで、EQ機能をドライバやTIAに統合することによるわずかなコスト増があっても、全体的なコストを大幅に削減できます。

● 低遅延： DSP処理リンクを排除することで、LPOは信号伝送経路を短縮し、遅延を低減します。これは、HPCのGPU間通信やその他の低遅延シナリオにおける重要な要件です。

● メンテナンスが容易： LPOは従来の光コンポーネントのモジュール設計を採用しており、ホットスワップに対応しています。故障したモジュールはシステムの動作を中断することなく交換できるため、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。

LPOが直面する課題

● 伝送距離の制限： DSPのイコライゼーションおよびエラー訂正機能がないため、LPOはビットエラー率が高く、伝送距離が短く、通常は数メートルから数十メートル程度です（将来的には500Mまで拡張される予定です）。

● 標準化の未熟さ： LPOの標準化はまだ初期段階にあり、異なるベンダー間の互換性が低い。現状では、単一ベンダーのクローズドシステムに適している。

● 電気チャネル設計上のプレッシャー： LPOはホスト側SerDesの直線性とアナログ性能に大きく依存しています。SerDesが112Gから224Gへの移行を加速させるにつれ、リンクの安定性を維持することが大きな技術的課題となります。

NPOとは？ニアパッケージドオプティクス

NPO（Near-Packaged Optics）は、従来のプラグイン式光モジュールとCPOの中間に位置する、高度に統合された光インターコネクトソリューションです。CPOへの「移行の足がかり」として、そのコアコンセプトは、光エンジンとxPUチップ（GPU、NPU、スイッチングチップ）を同じ高性能PCBまたは有機基板上に並べて配置し、極めて短い高速電気経路（通常は数センチメートル以内）で接続し、チャネル損失を13dB以下に抑えることです。

NPOの特徴

NPOは、統合性と保守性のバランスをとっています。光エンジンとxPUを同じパッケージに統合するCPOとは異なり、NPOはこれらを独立したパッケージに収めることで、CPOの複雑なパッケージングの課題を回避しつつ、従来のプラグインモジュールの性能上のボトルネックを克服しています。OFC 2026では、Googleなどの主要クラウドベンダーがNPOの導入計画を共同で発表し、2026年から2027年にかけてのキャビネット内およびキャビネット間相互接続における優先ソリューションとしての地位を確固たるものにしました。

NPOの主な利点

● 高帯域幅と低損失：短い信号経路により減衰とクロストークが大幅に低減され、複雑なDSP補償に頼ることなく高帯域幅伝送（800G以上）が可能になり、高い信号完全性が確保されます。

●優れた熱管理：光学エンジンとxPUを独立してパッケージ化することで、光学部品がGPUコアの高温環境にさらされるのを防ぎ、波長ドリフトや性能変動を回避し、柔軟な熱設計を可能にします。

● メンテナンスが容易で交換性が高い：独立してパッケージ化された光学エンジンは、故障した場合にxPUチップ全体を交換することなく個別に交換できるため、メンテナンスコストと複雑さを軽減できます。

● 成熟度が高くリスクが低い： CPOと比較して、NPOは3Dパッケージングなどの最先端技術におけるブレークスルーを必要とせず、技術的リスクが低く、量産も迅速です。華工科技などの国内ベンダーは、GoogleやMicrosoftのテストに合格し、主要顧客に導入されている3.2T NPO光学エンジンを発売しています。

NPOが直面する課題

● 限定的な統合： CPOと比較すると、NPOは電気的相互接続のために基板配線を必要とするため、統合密度が低く、最短伝送経路を実現できません。

● 高速時の性能ボトルネック： 1.6T/3.2Tの高速シナリオでは、電気接続損失と消費電力が増加するため、材料、配線、およびインターフェース規格の改善が必要になります。

● レイテンシ同期：レイテンシは従来のモジュールよりも低いものの、超大規模相互接続においては、システムレベルの同期を確保するために、NPOモジュール間のレイテンシと均一性のバランスを取る必要がある。

CPOとは何ですか？ コパッケージドオプティクス

CPO（Co-Packaged Opticsの略）は、NPOから発展した高度に統合された電気光学相互接続技術です。その核心は、光エンジンをスイッチングチップ（ASIC）または演算チップ（xPU）と同一パッケージに直接統合することにあり、従来のプラグイン式光モジュールのマザーボードへのフロントパネルインターフェース接続を不要にします。これにより、電気信号伝送経路が数センチメートルから数ミリメートルに短縮され、信号の完全性、消費電力、および遅延が根本的に最適化されます。

特に、シリコンフォトニクス技術の成熟はCPO開発の重要な基盤であり、CPOに高度に統合された低消費電力かつ低コストの光エンジンソリューションを提供し、CPO技術の急速な進歩を促進している。

CPOの構造と動作原理

一般的なCPOシステムは、電気チップ、光エンジンモジュール、シリコンインターポーザ、および光ファイバーインターフェースで構成され、以下の動作プロセスで動作します。

●伝送：電気チップ内部のSerDesは高速電気信号を出力し、インターポーザ上のマイクロバンプ相互接続を介して光エンジンに伝送されます。ドライバチップは光変調器を駆動して電気光学変換を完了させ、光信号は光ファイバーを通して伝送されます。

● 受信：光信号はフォトディテクタによって電気信号に変換され、TIAによって増幅された後、マイクロバンプ相互接続を介して電気チップに送り返され、デコードされます。

パッケージングの深さに基づいて、CPOは3つのタイプに分類されます。タイプA（2.5Dパッケージング、電気接続長≤10cm）、タイプB（ウェハレベル2.5Dパッケージング、高密度）、およびタイプC（3D垂直積層、ミリメートルレベルの相互接続、最高レベルの集積形態）。

CPOの主な利点

● 超高帯域幅と低消費電力：ミリメートルレベルの信号経路は、ポートあたり1.6T～3.2T以上の高速相互接続をサポートします。Broadcomによると、CPOは消費電力を50%以上削減でき、ビットあたりの消費電力は従来のモジュールの15～20pJ/ビットから5～10pJ/ビットに低下します。

● 高密度相互接続：光エンジンをパッケージに統合することで、フロントパネルのスペースが解放され、スイッチやGPUシステムのI/O密度が大幅に向上します。これは、高密度データセンターにとって非常に重要です。

● 超低遅延と高信頼性：中間電気接続とDSP補償を排除することで遅延を低減し、電磁干渉（EMI）に対する感度も低減し、安定した信号伝送を実現します。

● 最適化されたシステムエネルギー効率：高度に統合された設計により変換損失が低減され、データセンター全体のPUEが低下するため、AIトレーニングクラスタや超大規模スイッチング機器に最適です。

CPOが直面する課題

● 高いパッケージングの複雑性：光電子部品のコパッケージングは​​、熱管理、機械的安定性、パッケージング歩留まりに関して非常に高い要求があり、その結果、従来の光モジュールよりも製造コストが高くなります。

● 保守性の低さ：光学エンジンと電気チップが密接に統合されているため、光学部品が1つ故障するとパッケージ全体を交換する必要があり、保守の複雑さとコストが増加します。

● 未成熟なエコシステム： CPOは、新しい光電子パッケージング規格、テストシステム、および自動製造プロセスを必要とし、現在、産業化の初期段階にあります。従来のプラグインモジュールが依然として業界のニーズの大部分を満たしているため、1.6T時代においては、CPOの市場導入はまだ急務ではありません。

LPO、NPO、CPO：最適なテクノロジーの選び方とは？

LPO、NPO、CPOは相互に排他的なものではなく、互いに補完し合い、異なるアプリケーションシナリオを対象としており、次世代光インターコネクトのための完全な技術システムを形成している。

●  LPO：コスト効率と低遅延性を重視し、HPCのGPU間通信など、短距離（キャビネット内）の相互接続シナリオに適しています。短期的に消費電力とコストを削減する必要のあるデータセンターにとって実用的なソリューションであり、2024年末までに量産化に向けた幅広い市場展望が期待されます。

● NPO：従来のモジュールとCPOの間の「移行ブリッジ」として機能し、パフォーマンスと保守性のバランスを取ります。2026～2027年のキャビネット内/キャビネット間相互接続に適しており、リスクが低く、導入実績が成熟していることから、主要なクラウドベンダーに好まれています。

● CPO：究極のパフォーマンスを追求する方向性を示し、将来の超大規模AIデータセンターや3.2T以上の高速相互接続シナリオに適しています。パッケージングやエコシステム面で課題はあるものの、長期的には主流ソリューションになると予想されており、世界市場は2027年までに54億ドル規模に達すると見込まれています。

結論

データセンターがより高い帯域幅、より低い消費電力、より低いレイテンシを追求するにつれ、LPO、NPO、CPOは光インターコネクト技術の進化における主要な推進力となっています。LPOは短距離シナリオにおいて実用的な低消費電力・低コストソリューションを提供し、NPOは性能と保守性のバランスを実現することで高集積化への移行を加速させ、CPOはインターコネクト性能を限界まで高め、将来の超大規模コンピューティングプラットフォームの基盤を築きます。データセンター事業者、ネットワークエンジニア、および業界関係者が情報に基づいた技術的選択を行うためには、これら3つの技術の特性、利点、および課題を理解することが不可欠です。

この技術革新において、国内外の主要ベンダーは、LPO光トランシーバーモジュールからNPO光エンジン、CPO一体型ソリューションに至るまで、関連製品を積極的に展開しており、いずれも商用化のペースを加速させています。技術の成熟とエコシステムの改善に伴い、LPO、NPO、CPOはデータセンター相互接続の状況を共に再構築し、AIおよびHPC産業の急速な発展を後押ししていくでしょう。

よくある質問

Q1：CPOとLPOの違いは何ですか？

CPOは光エンジンをスイッチASICに直接統合することで帯域幅密度と電力効率を最大化する一方、LPOはプラグインモジュールからDSPを取り除くことでコストと消費電力を削減しつつ、標準的なフォームファクタを維持します。

Q2：LPOは既存のQSFP-DDおよびOSFPスイッチと互換性がありますか？

はい。LPOモジュールはQSFP-DDおよびOSFPフォームファクターを維持しているため、既存のAIデータセンタースイッチにアーキテクチャを変更することなく導入できます。

Q3：シリコンフォトニクスはCPOまたはLPOの代替となるものでしょうか？

いいえ。シリコンフォトニクスは、CPOとLPOの両方をサポートする基盤となる集積技術であり、従来のプラグイン式光モジュールにも対応しています。

Q4：AIトレーニングクラスターに最適な光学技術はどれですか？

大規模なAIトレーニングクラスタでは、帯域幅密度とエネルギー効率に優れているため、一般的にCPOが好まれる一方、LPOは短距離かつコスト重視の導入に適しています。

Q5：将来的にCPOはプラグイン式光学部品に取って代わるでしょうか？

CPOは、プラグイン式光デバイスを置き換えるのではなく、補完するものとして期待されています。AIネットワークのさまざまなシナリオには、引き続き異なる光アーキテクチャが必要となるでしょう。

Q6：NPOはCPOやLPOと比べてどのような位置づけにあるのでしょうか？

NPOは、従来のプラグインモジュールとCPOの中間的な位置づけとなる技術です。LPOよりも統合性が高く低遅延である一方、CPOよりも保守性とコスト効率に優れているため、中期的なキャビネット内およびキャビネット間相互接続に最適です。

Q7：NPOはどのような保守および熱管理上の利点を提供しますか？

NPOは、光学エンジンとxPUを独立したパッケージで運用しています。そのため、故障した光学エンジンはxPU全体を交換することなく個別に交換でき、メンテナンスコストを削減できます。また、独立した熱管理によりGPUの熱による波長ドリフトを防ぎ、安定した性能を確保します。