AIデータセンターの光通信とは？CPO・NPO・USFPの違いと仕組みを図解

10月12日、NVIDIAとCiscoはUSFP（Ultra-Dense Small Form Factor Pluggable）の計画を発表しました。同じ日にCelesticaは、BroadcomのTomahawk 6 – Davissonを使うCPOスイッチDS6005を発表しています。一方は着脱式モジュールの拡張、もう一方はスイッチのパッケージに光変換を組み込む設計です。

ここから読み取れるのは、業界が一つの方式に統一されたということではありません。交換しやすい場所に光部品を残す案と、電気配線を短くするためチップへ近づける案が並行して進んでいる、という構図です。これが今回のニュースを理解する出発点になります。

表が収まらない場合は、左右にスクロールできます。

発表から確認できること、まだ区別すべきこと

資料・日付	確認できる段階	それだけでは言えないこと
OIF 3.2Tモジュール仕様 2023年3月29日	特定のCPOモジュールの実装合意文書を公開	すべてのCPO製品が同じ仕様で相互接続できる
Intel OCI発表 2024年6月26日	CPUと同じパッケージに組み込んだ試作チップレットの動作実証を報告	その試作品が一般向け製品として出荷済み
Celestica DS6005 2026年10月12日	CPOを採用するスイッチシステムを発表	発表だけで、顧客への納入量や運用実績が分かる
NVIDIA・Cisco USFP 2026年10月12日	新フォームファクターと公開仕様策定の計画を発表	公開仕様が完成し、対応製品が広く購入できる

光通信そのものは新しい発明ではありません。新しいのは、AI用の装置が必要とする通信量に合わせて、光へ変える場所、部品の集積方法、保守の仕方を見直していることです。従来の光ファイバー通信と断絶した技術として捉えるより、装置の内部へ光接続が近づく動きとして見る方が理解しやすいでしょう。

一つの仕事を複数のGPUへ分けると、それぞれが独立して計算を終えれば済むとは限りません。途中のデータを交換したり、複数の計算結果をまとめて配り直したりする必要があります。例えばNCCLのAllReduceは、各GPU側の値を合計するなどの処理を行い、同じ結果を参加者全員へ届けます。

通信が間に合わなければ、計算能力が余っていても次の処理へ進めません。ただし、すべてのAI処理で通信が最大の問題になるわけではありません。計算量、メモリー容量、分割方法、通信と計算を重ねられるかによって、どこを改善すべきかは変わります。

この点は簡単な仮定でも確かめられます。計算に8秒、重ねて実行できない通信に2秒かかる仕事を考えてください。通信だけを2倍速くしても、全体は10秒から9秒になるだけです。「リンクが2倍速い」から「AIが2倍速い」とは言えません。逆に、通信待ちが長い仕事なら改善の余地は大きくなります。

装置の外まで届く光リンクを使っていても、チップから光モジュールまでの区間は電気信号です。高速化するほど、この区間の配線、コネクター、信号を整える回路が設計上の負担になります。CPOやNPOは、光ファイバーの速さだけでなく、光に変わる前の電気経路をどう扱うかに注目した技術です。

CPUやGPUの電子回路で扱うデータを、そのままファイバーへ流せるわけではありません。送信側で電気信号に応じて光を変化させ、受信側で再び電気信号へ戻します。送受信をまとめた部品が光トランシーバーで、光変換を担う小さな集積部品は光エンジンとも呼ばれます。

電気 → 光 → 電気：片方向のデータが届くまで

1. 1. 送信側の電子回路
   データを電気信号として出力する。
2. 2. 変調器と駆動回路
   レーザーから供給された光に、電気信号に応じた変化を与える。
3. 3. 光ファイバー
   情報を載せた光が伝わる。複数の波長を同時に使う方式もある。
4. 4. 受光器と受信回路
   光を電気信号へ変換し、増幅・判定などの処理を経てデータを取り出す。
5. 5. 受信側の電子回路
   受け取ったデータを計算や通信処理に使う。

ここでレーザーと変調器の役割を分けて考えるのが重要です。レーザーは光を供給し、変調器はその光へデータに応じた変化を与えます。光源を高速に直接変調する方式もありますが、図は別の変調器を使う場合です。どの光通信でもレーザーを単純にオン・オフしている、と覚える必要はありません。

例えばPAM4では四つの信号レベルを使い、一つのシンボルに2ビットを対応させます。四つの状態なら00・01・10・11という四つの組み合わせを区別できる、という関係です。実際の並べ方や誤り訂正を含む伝送方式には別の約束があるため、これだけで製品の有効速度は求められません。

また、波長の異なる複数の光を一本のファイバーにまとめるWDM（波長分割多重）もあります。ファイバーを増やすことと、一本で扱う波長を増やすことは別の増速方法です。そのため、電気側のレーン数、光側の波長数、ファイバーの本数を同じものとして数えると、構成を読み違えます。

受信後の計算を電子回路が行うなら、それは光を使った通信です。光そのものに演算を担わせる「光コンピューティング」とは区別してください。通信経路の光化によって、GPUの演算回路が丸ごと光に置き換わるわけではありません。

CPOとNPOは主に配置・実装の考え方、USFPは着脱式モジュールの形状や接続方式の計画です。三つを「旧世代・現世代・次世代」と並べると誤解を招きます。さらに、シリコンフォトニクスは光部品を集積する技術であり、どこへ置くかとは別の軸です。

表が収まらない場合は、左右にスクロールできます。

光通信ニュースに出る用語の役割

用語	何を表すか	混同しやすい点
CPO Co-Packaged Optics	ASICなどと光エンジンを共通のパッケージ基板上に集積する考え方	光部品とASICを必ず一枚の半導体ダイにする意味ではない
NPO Near-Package Optics	パッケージ化されたASICの近くへ光エンジンを配置する考え方	資料によってCPOとの境界が異なる。距離の数字だけで決まらない
USFP	高密度な着脱式光モジュールの新フォームファクターの計画	CPOの別名でも、光の変調方式でもない
OSFP	着脱式モジュールの機械・電気インターフェースなどの仕様	フォームファクター名だけでは通信距離や光側の方式は決まらない
シリコンフォトニクス	シリコンを基盤として光の導波路や変調器などを集積する技術	CPO専用ではない。着脱式モジュールでも使われる

光変換部品をどこに置くか

着脱式モジュール

装置の基板側

ASICパッケージ

基板などの電気経路

光モジュール

装置の前面で着脱

光ファイバーで装置の外へ

NPOの構成例

共通の実装基板

ASICパッケージ

近接した電気経路

光エンジン

別々の部品をソケット実装

光ファイバーで装置の外へ

CPOの構成例

共通のパッケージ基板

ASICダイ

近接した電気経路

光エンジン

同じパッケージに集積

光ファイバーで装置の外へ

ASICは、通信の振り分けなど特定の仕事を担う集積回路です。「ダイ」は半導体そのもの、「パッケージ」はそれを保護し外部と接続する構造を含みます。CPOの「同じパッケージ」は、光部品まで単一のシリコン上に作るという意味ではありません。

NPOは特に注意が必要です。OIFのFrameworkでは、既にパッケージ化されたASICと光エンジンを共通基板のソケットへ実装する例をNPOと呼んでいます。一方、同文書はこれを広い意味のコパッケージングの構成例として扱っています。本記事の図もその例を採用し、「同じ基板なら必ずCPO、別なら必ずNPO」という単純な線引きはしていません。

製品を比べるときは略称から優劣を決めず、ASICと光エンジンの間を何がつなぐか、どの基板を共有するか、どの単位で取り外せるかを確認すると実態が見えてきます。

CPOの狙いは、光変換までの高速な電気経路を短くし、そこで発生する信号の劣化を抑えることです。信号を遠くまで届けるための駆動や補正の負担を減らせれば、同じ通信量を運ぶための電力を抑える余地が生まれます。近接配置による高密度化も重要です。

ただし、CPOなら必ずDSP（デジタル信号処理回路）がなくなる、という説明は正確ではありません。OIFの3.2Tモジュール仕様にはDSPを含む機能図が載っています。配置方法と、信号処理をどこまで簡略化するかは関連しますが、同じ判断ではないのです。

表が収まらない場合は、左右にスクロールできます。

配置の選択で変わる設計上の重点

構成	狙いやすい利点	確認すべき負担
前面の着脱式	モジュール単位の交換、通信距離や方式の選択	ASICから前面までの電気経路、コネクター、高密度時の放熱
NPOの近接配置	電気経路の短縮と、部品を分けた実装の両立	装置内部でのアクセス、ソケット、基板の品質と冷却
CPOの集積	短い電気経路、パッケージ周辺の通信密度	熱、ファイバーの接続、製造・検査、故障時の交換単位

光エンジンをASICへ近づけると、熱の大きい部品の近くで光特性を安定させる設計も必要になります。NVIDIAの実装解説では、小型のリング型変調器の温度感度への対策や、ファイバー接続の精度を扱っています。「小さくまとめれば完成」ではなく、組み立てた後も安定して動くことが条件です。

レーザーを光エンジンの外へ置くELS（External Laser Source、外部光源）は、この問題への選択肢の一つです。光だけをファイバーでエンジンへ供給し、光源を交換しやすいモジュールとして分離する構成があります。ただし外部光源はCPOの必須条件ではなく、内部光源を使う仕様や実装もあります。

したがって「CPOが故障したら必ず装置全体を交換する」「着脱式だからいつでも無停止で交換できる」とも言い切れません。交換できる部品、停止する範囲、冗長化の方法は製品の設計次第です。保守性を比較するなら、名称ではなく故障時の手順まで確認する必要があります。

USFPは、光変換を必ずASICのパッケージへ移すのではなく、前面で扱える着脱式モジュールを高密度化する方向です。両社は電気信号で1レーン当たり400Gb/s、最初の計画では16の全二重レーンを掲げています。全二重とは、送信と受信を同時に行えることです。Ciscoの公式解説では、16レーンで6.4Tb/s、32レーンへの将来拡張で12.8Tb/sという段階を示しています。

注目点は、新しい二次元配列のコネクターと、挿入後に高速信号用の接点をかみ合わせる二段階の構造です。電気側の1レーン当たりの伝送速度を高めるだけでなく、増えた電気接点を限られた場所へ収める課題に取り組んでいます。OSFP相当の占有面積という説明もありますが、同じ大きさであることは既存ポートとの互換性を意味しません。

また、発表にある「最大100Wの放熱への対応」は、すべてのUSFPが常時100Wを消費するという意味ではありません。冷却が不要という意味でもありません。発熱を処理できる設計上の範囲と、実際の使用時の消費電力を分けて読む必要があります。

公開仕様は今後の複数社によるプロジェクトで作る計画として説明されています。今回確認した発表だけから、仕様確定済み、一般販売開始済み、既存装置へ差し替えるだけで利用可能、とは書けません。

編集部として興味深いと考えるのは、CPOを進める企業が着脱式の次の設計にも取り組んでいる点です。これは矛盾ではなく、必要な通信密度と保守方法が装置ごとに異なることの表れと解釈できます。ただし、この解釈は将来の市場シェアや勝者を予測するものではありません。

光通信のニュースでは、レーンの速度、モジュール全体、スイッチ全体の容量が近い場所に登場します。まず何の合計かを揃えましょう。例えばOSFP MSAは8レーン×200Gb/sを1.6Tb/sと説明しています。一方、送信と受信を足した値を示す資料もあり、単位が同じでも比較の分母が違うことがあります。

表が収まらない場合は、左右にスクロールできます。

レーン数と伝送速度から読む容量：初期計画と将来拡張

構成・段階	レーン容量の計算	読み取れる範囲
OSFPの8レーン例	8 × 200Gb/s = 1.6Tb/s	MSAが示すレーン集約の例
USFPの初期計画	16 × 400Gb/s = 6.4Tb/s	最初に計画されている16レーン構成
USFPの将来拡張	32 × 400Gb/s = 12.8Tb/s	32レーンへ拡張する構想。完成品の出荷を意味しない

ここでの12.8Tb/sは、32レーンへ拡張した場合の容量です。Ciscoは16レーンの送受信を足した値として説明していません。同じ数字を足し算で作れても、発表が何を数えているかの裏付けにはなりません。全二重で通信できることと、容量の表示に送受信を合算することは、分けて考えましょう。

さらに、転送路上のビットには、データ本体だけでなく符号化や誤り訂正などのための情報が含まれる場合があります。ファイル転送やAI処理で使える速度を見積もるには、どの層の速度なのか、相手側や途中の装置に制約がないかも確認します。

電力では、1ビットを運ぶためのエネルギーを表すpJ/bitが使われます。この値が小さくなることと、装置の総消費電力が小さくなることは同じではありません。単位を展開すると、違いがはっきりします。

1ビット当たりの省エネと、総消費電力は別

A：比較の基準
10 pJ/bit × 1 Tb/s = 10 W

B：同じ通信量で効率を改善
5 pJ/bit × 1 Tb/s = 5 W

C：改善後、通信量を2倍に
5 pJ/bit × 2 Tb/s = 10 W

BはAより1ビット当たりのエネルギーが半分です。しかし、その効率のまま通信量を2倍にしたCは、Aと同じ10Wになります。効率改善は「同じ電力で多く運べる」価値にもなるので、総電力が必ず減ると読み替えてはいけません。

実製品で比較するときは、送信側だけか両端か、レーザーや信号処理を含むか、どの通信量で測ったかを揃えます。稼働率が変われば、消費電力が転送量に完全比例するとも限りません。図は単位の関係を説明するもので、装置の電力見積もり表ではありません。

「まだ研究だけ」と言うのも、「すべてのGPUが光で直結された」と言うのも大ざっぱです。シリコンフォトニクスを使う着脱式トランシーバー、スイッチ側へ光エンジンを集積する製品、CPUやGPUに近い光I/Oの開発は、分けて追う必要があります。

Intelは2024年の発表で、従来のシリコンフォトニクス製品がデータセンターの着脱式トランシーバーに使われてきたことを説明する一方、同記事で紹介したCPU同梱のOCIチップレットは試作品だと明記しました。基盤技術の出荷実績を、新しいCPU向け実装の出荷実績へ置き換えてはいけません。

2026年10月のDS6005は、光エンジンをスイッチASICと同じパッケージへ組み込むシステムとして発表されています。Celesticaが掲げる最大102.4Tb/sはスイッチ全体の容量であり、前の節のUSFPモジュール単位の値と直接比べる数字ではありません。また、スイッチにCPOがあることだけでは、その先のGPUまで電気区間がなくなるとは言えません。

このように、部品、パッケージ、装置、運用されるネットワークを一段ずつ分けると、成果の意味を過大にも過小にも評価せずに済みます。「実証した」「仕様を公開した」「製品を発表した」「出荷した」「顧客が運用した」は、それぞれ異なる進捗です。

現在の難しさは、データを一度通すことだけではありません。多数の光接続を安定した品質で製造できるか、温度が変わっても動くか、故障箇所を見つけて復旧できるか、他社の機器と必要な条件で接続できるかが重要です。これらが揃わなければ、単体で魅力的な性能でも大規模運用の利点にはつながりません。

一般の利用者が、この記事を読んですぐに光モジュールを購入する必要はありません。家庭のインターネット回線やWi-Fiの速度と、データセンター内部の光接続は別の問題です。一方、AIサービスを支える装置の効率や拡張性を理解するうえで、仕組みを知る価値はあります。

1. 対象: GPU本体、スイッチ、光モジュールのどれが変わったのか。
2. 配置: 電気から光へ変わる場所は前面か、ASICの近くか、同じパッケージか。
3. 数字: 1レーンか装置全体か、片方向か双方向合計か、何を含む電力か。
4. 段階: 計画、仕様、試作、製品発表、出荷、顧客運用のどこまで確認できるか。
5. 運用: 冷却、故障時の交換、相互接続、供給体制まで説明されているか。

技術を評価する側なら、「一番速い方式」を探す前に、必要な距離と通信量、交換時に許容できる停止、装置を使う期間を決める方が実務的です。近距離の電気接続まで一律に光へ変えれば有利になるわけではありません。変換のための部品や電力が増えることも含め、接続区間ごとに判断します。

地域が変わっても、この比較の基準は共通です。国内で買える製品の数や特定メーカーの宣伝文句ではなく、公開仕様と実装条件に立ち戻れば、別の国・地域のニュースにも同じ考え方を使えます。将来USFPの正式な仕様や出荷情報が公開されたら、今回「計画」とした項目をその資料で更新していくのが適切です。

CPOは光変換をパッケージに集積する。NPOはASICパッケージの近くへ配置する。USFPは着脱式の高密度化を目指す。名称の分類と進捗の段階を揃えてから、速度や電力を比較する。それが、光通信のニュースを理解する最も確実な入口です。