0813 銅線時代の終焉、AIデータセンターは光の時代へ

AI演算およびデータトラフィックの急増に伴い、従来の銅線では現代のデータセンター需要を支えきれなくなっている。光ファイバーは、高速・低消費電力・長距離伝送という優位性を背景に、銅線を全面的に代替しつつあり、AIデータセンターを新たな「光の時代」へと導いている。

データセンターのトラフィックおよびAIワークロードが継続的に増大する中、従来の銅線技術は計算負荷およびデータ集約型AIモデル訓練の要求に対応困難となっている。一方、光ファイバーはデータスループットとエネルギー効率において明確な優位性を持ち、システムの発熱抑制にも寄与する。特にエネルギー効率の指標である**pJ/bit（皮ジュール／ビット）**では、光トランシーバーの消費電力は既に約15pJ/bitに低減しており、今後数年で1pJ/bit以下に到達する可能性がある。

さらに光ファイバーは「伝送距離」においても優位であり、同一の電力パルス条件下で銅線の10倍〜30倍以上の距離を伝送可能である。この長距離伝送能力は、データセンター間の大容量データ伝送を可能にし、新たなデータセンターアーキテクチャの創出を後押ししている。

もっとも、銅線ケーブル設計者も速度および伝送距離の延伸に努めており、低コスト優位性、ケーブル設計の進歩、冷却技術の改善により寿命延長を図っている。しかし、100Gbpsや200Gbpsといった高速域では、信号品質を維持するために**リタイマー（retimer）やリピーター（repeater）**の導入が不可欠である。

200Gbpsや400Gbpsの時代が到来する中で、銅線の発展余地は一層限られつつある。シリコンフォトニクス技術がウエハーレベル光素子および光インターポーザーの量産段階に入り、集積型シリコンマイクロオプティクス、反射鏡、マイクロレンズアレイ、導波路、光スイッチ、レーザーなどの光素子がAIの方向性により合致していることから、銅線技術の将来性に対する市場の信認は低下している。現状では、銅線の実用性を強く主張する声はほとんど聞かれなくなっている。 銅線は短距離・低速のデータ接続において依然としてコスト優位性を有するものの、その優位性は本質的な制約を覆すには至らない。今日、銅線ベースのデータセンターは、かつての真空管に喩えられるほど時代遅れの様相を呈している。銅線の欠点は多岐にわたり、高消費電力、大型化、重量増、帯域幅不足、高エラーレート、パケットロスなどが挙げられる。

これらの欠点を列挙せずとも、銅線はデータセンターのアーキテクチャ柔軟性を著しく制限する。一方、光ファイバーは設計に大きな自由度をもたらす。光ファイバーを採用すれば、システムアーキテクトはクラスタ、サーバー、スイッチ、電源供給、冷却システムの配置を柔軟に最適化できる。光ファイバーは数キロメートル規模で安定したノード間通信を実現でき、必要に応じて10キロメートル以上まで延伸可能であるのに対し、銅線は10メートルを超えると性能低下が顕著となり、場合によっては3メートル程度の距離でも100Gbpsや200Gbpsの伝送に支障を来すことがある。

銅線ベースのデータセンターでは、設計者はメモリ、GPU、CPU、NPU、暗号モジュールを機器ラックやクラスタ内で可能な限り近接配置する「近接配置（proximity placement）」戦略を取らざるを得ない。これはデータレート、エラーレート、消費電力を確保するためであるが、その結果、電源供給や配電設計の制約が増し、データセンター内部の温度勾配が大きく変動する。また、TB級AIワークロードにおける大規模データ移動は、エネルギー効率、冷却効率、処理時間、信頼性の面から実用的ではない。対照的に、光ファイバーベースのデータセンターはこれらの要件において、はるかに理想的な仕様に近づく。

光ファイバーは高速度・低消費電力・長距離伝送を兼ね備え、データセンター設計者に計算負荷および通信ボトルネックの低減という柔軟性を提供する。これにより、データと電力の平均的な分散配置が可能となり、単一ラックのピーク電力消費および冷却需要を抑制できる。その結果、平均故障間隔（MTBF）の向上や、データセンター全体のエネルギー崩壊リスク低減に寄与する。

感謝以下続。。終結銅線　AI資料中心邁入光世代　 - 電子工程專輯