高速回線に関わる仕事をしている方なら、PAM4という用語が頻繁に出てくることに気づいているでしょう。これは業界が新しい用語を好むからではありません。従来の帯域幅拡張方法が維持しにくくなっているためです。

長年にわたり、標準的な対策は単純明快だった。レーン数を増やすか、既存のレーンの速度を上げるかのどちらかだ。どちらも今でも有効だが、どちらにもコストがかかる。レーン数が増えれば、ハードウェアが増え、ルーティング負荷が高まり、システム全体の複雑さが増す。信号伝送速度が上がれば、チャネル損失が増え、マージンが狭くなる。ある時点から、問題は「どうすれば数値を大きくできるか？」ではなく、「リンク全体の管理を難しくすることなく、どうすればそれを実現できるか？」となる。

そこでPAM4が重要になってくるのです。

大まかに言うと、PAM4は各シンボルがNRZの2倍の情報量を伝送できるようにすることで、帯域幅効率を向上させます。そのため、PCIe 6.0、400G/800G光伝送、長距離データセンター相互接続と密接に結びついています。しかし同時に、PAM4は無償アップグレードではありません。アイパターンの開口部が小さくなり、ノイズに対する感度が高くなり、イコライゼーションとFECへの依存度が高まるというデメリットがあります。

PAM4とNRZの比較概要

根本的な違いは明白だ。

NRZは2つの信号レベルを使用するため、各シンボルは1ビットを伝送します。PAM4は4つの信号レベルを使用するため、各シンボルは2ビットを伝送します。つまり、PAM4は同じシンボルレートでNRZの2倍のビットレートを実現できます。言い換えれば、同じデータレートが必要な場合、PAM4はNRZの半分のボーレートで済みます。

それは完璧な勝利のように聞こえるが、そう単純な話ではない。

• NRZよりシンプルで、より寛容です。
• PAM4帯域幅効率が高い。
• NRZ堅牢性と低複雑性が最も重要な場合、多くの場合、より適した選択肢となる。
• PAM4レーンあたりの処理能力向上を優先する場合、この方法は魅力的な選択肢となる。

つまり、本当の問題はどちらがより先進的かということではなく、どちらが実際のシステムにより適しているかということだ。

PAM4の仕組み

PAM4が重要なのは、シンボルレートとデータレートの関係性を変えるからである。

NRZでは、1シンボルが1ビットに対応します。PAM4では、振幅レベルが4段階あるため、1シンボルが2ビットに対応します。このため、PAM4はシンボルレートを同じペースで上げることなく、データスループットを向上させることができます。

これが、PAM4が新しい規格において非常に重要視されるようになった主な理由の一つです。単に信号伝送形式が異なるというだけでなく、物理層をより効率的に利用できるという利点があるのです。

PCIe 6.0はその良い例です。Gen6はPAM4を使用しているため、各シンボルは2ビットを伝送します。これにより、ボーレートはGen5と同じ32Gb/sのままで、スループットは2倍になります。ボーレートとナイキスト周波数が同じであるため、チャネル損失特性は、単純なレート向上だけから予想されるよりも、前世代にずっと近いものになります。

メリットとデメリット

PAM4の主な利点は、帯域幅効率の高さです。これにより、設計者はレーン数を同じ割合で増やすことなく、またNRZ信号をより厳しい損失環境にさらすことなく、レーンあたりのスループットを向上させることができます。光システムにおいては、単一レーンのスループットを向上させる方がチャネル数を増やすよりも現実的な場合が多いため、これはインフラコストの抑制にも役立ちます。

しかし、その代償もまた同様に現実的なものだ。

最大のデメリットは信号マージンです。PAM4のアイハイトはNRZの約3分の1しかありません。つまり、レベル間の垂直方向の分離が小さくなり、ノイズ、ジッター、歪みに対する許容度が低くなります。簡単に言うと、PAM4はスループットは向上しますが、エラーに対する許容範囲も狭くなります。

そのため、PAM4は必ずしも常に優れているわけではありません。帯域幅密度が十分に重要で、その分の複雑さを正当化できる場合にこそ、PAM4は優れていると言えるのです。

実践上の課題：ノイズ、ISI、イコライゼーション、およびFEC

ここからPAM4は単なる見やすい図ではなくなり、真のエンジニアリング上の問題へと変わります。

アイ・オープンが小さくなると、リンクはジッタ、チャネル損失、クロストーク、および符号間干渉の影響を受けやすくなります。チャネルのマ​​ージンが小さくなり、受信側の動作がより重要になります。システムは信頼性の高い判断を行うために十分なアイ・オープンを回復する必要があるため、イコライゼーションの重要性が増します。

前方誤り訂正（FEC）も、PAM4の実用化において重要な要素です。生のビット誤り率が高いため、PAM4リンクでは一般的にFECを用いて全体のBERを許容レベルまで下げます。したがって、PAM4は単なる変調方式の選択肢にとどまりません。通常、より厳しいSI要件、受信機の複雑化、そしてリンク管理のオーバーヘッド増加が伴います。

これが真のエンジニアリング上のメッセージだ。PAM4は効率を向上させるだけでなく、設計全体の基準も引き上げる。

受信機設計の基本

PAM4が登場すると、受信機の設計ははるかに高度なものになる。

主要な構成要素は以下のとおりです。

• スライサーのしきい値： PAM4受信機は、2つのレベルではなく、4つのレベルを区別する必要がある。
• FFEとDFE：チャネル損失とISIを補償するために使用されます。
• CDR: PAM4ではマージンが少ないため、タイミング回復がより重要になります。

これが、PAM4システムがより多くのシミュレーション作業を必要とする理由の一つです。受信機の動作は、些細な実装上の詳細ではなく、コアリンクバジェットの一部なのです。

BER、SNR、およびFECの役割

PAM4を理解するための簡潔な方法の一つは、信号対雑音比のマージンを犠牲にして帯域幅効率を高めていると考えることです。

そのトレードオフはBER（ビット誤り率）の問題として現れます。PAM4における生のBERは、受信側の処理負荷が高いため、同等のNRZリンクに比べて一般的に悪化します。そのため、FEC（前方誤り訂正）は設計戦略の一部となります。パッチとしてではなく、チャネル設計、コネクタ性能、挿入損失制御、等化、受信機アーキテクチャなどを含む、より大きなシステムの一層として位置づけられるのです。

PAM4がうまく機能するのは、通常、それらのレイヤーすべてが適切に整列しているためです。

アプリケーションと実際の使用事例

PAM4は既に研究段階をはるかに超え、実システムに組み込まれている。

主な応用分野は以下のとおりです。

• 400Gおよび800G光通信
• PCIe 6.0
• QSFP-DDおよびOSFP長距離リンク
• 5G伝送ネットワーク
• メトロ固定ネットワーク
• スイッチとルーターを含むDCI/DCN環境。

具体的な例として、PCIe Gen6 が挙げられます。より高い内部帯域幅を必要とする設計チームは、NRZ をさらに強化するか、PAM4 に移行するかのどちらかを選択できます。NRZ を維持する場合、ボーレートを大幅に上げるか、レーン数を増やす必要があり、どちらもレイアウト、損失バジェット、および電力への負荷が増大します。PAM4 はこの状況を変えます。ボーレートを以前のチャネルクラスに合わせながらスループットを倍増させますが、SI、イコライゼーション、および FEC の要件もより厳しくなります。まさにこのようなトレードオフに対応するために PAM4 が設計されたのです。

システム設計のための実践的ガイダンス

購入者、エンジニア、製品開発チームにとって、最も役立つ質問は「このシステムはPAM4を使用していますか？」ではありません。より適切な質問は「このシステムはPAM4を十分にサポートしており、使用する価値があるでしょうか？」です。

そうすることで、正しい問題に焦点が移る。

• 実際のチャネル損失
• 均等化の必要性
• FECの行動
• コネクタとケーブルの品質
• 電力と熱への影響
• システム全体の複雑さ。

PAM4はチェックボックスではありません。システムレベルの決定事項です。

結論

PAM4が重要なのは、それが非常に現実的なスケーリング問題に対処するからである。

各シンボルが2ビットを伝送できるようにすることで、NRZのようにシンボルレートを大幅に向上させることなく、レーンあたりのスループットを向上させることができます。そのため、PCIe 6.0、400G/800G光通信、その他の次世代インターコネクトの中核技術となっています。

同時に、PAM4は無償アップグレードではありません。アイパターンの開口幅が小さくなり、ノイズに対する感度が高くなり、受信機の動作がより要求されるようになり、イコライゼーションとFECへの依存度も高まります。

最も現実的な言い方をすれば、PAM4は強力で、ますます必要不可欠になりつつあり、適切な用途では非常に効果的だが、真の価値を発揮するのは周囲のシステムが適切に設計されている場合に限られる、ということだ。

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著者

フランク・ヤン
創業者 | Farsince Connectivity Solutions

フランク・ヤンはFarsinceの創設者であり、ケーブルおよび接続業界で13年以上の経験を持ち、データセンター、産業、ネットワーク接続ソリューションに関して世界中の顧客と緊密に連携してきました。