PAM4の仕組みを解説：4レベルパルス振幅変調（PAM4）の基礎知識

クラウドコンピューティング、AI、5G、ストリーミングなどによって後押しされる、世界中のデータ消費量の絶え間ない増加は、ネットワークインフラの限界を常に押し広げ続けています。これまでの世代で主力となってきたノン・リターン・ツー・ゼロ（NRZ）信号方式は、1レーンあたり25Gbpsを超えるデータレートにおいて、基本的な物理的限界に達しつつあります。そこで登場したのが PAM4（4レベルパルス振幅変調）, 、次世代の高速化を実現するための重要な変調方式である 高速光トランシーバモジュール および電気インターフェースです。しかし、そもそもPAM4とは何でしょうか？また、なぜこれほど重要なのでしょうか？詳しく見ていきましょう。.

▶ 主なポイント

• PAM4は4つの信号レベルを用いて一度に2ビットを送信します。これにより、帯域幅を増やすことなくデータ転送速度を2倍にすることができます。.

• NRZなどの従来の方式に比べ、PAM4はより高速です。ただし、PAM4ではエラー訂正機能がより高度なものが必要になります。また、電圧レベル間の間隔が狭いため、より洗練された信号処理も求められます。.

• PAM4は、高速ネットワークおよびデータセンターで採用されています。また、光システムでも使用されています。こうした環境では、クラウド、ストリーミング、5Gなどから生じる大量のデータを処理する必要があります。.

• PAM4には、ノイズに対して敏感であるといった課題があります。信号品質の確保も難しくなります。高度なイコライゼーションおよびエラー訂正技術により、データの安全性と信頼性を維持しています。.

• PAM4を学ぶことで、高速データリンクの仕組みを理解できるようになります。また、今日最も高速なネットワーク技術を扱うための準備も整います。.

▶ NRZを超えて：なぜPAM4が必要なのか

NRZ, 、いわゆるPAM2, は、デジタルデータを表すために2つの電圧レベル（「1」を表す高レベルと「0」を表す低レベル）を用います。1シンボル周期で1ビットを送信します。シンプルかつ堅牢な方式であり、長年にわたり広く活用されてきました。しかし、データレートが56Gbps、112Gbps／レーン、さらにはそれを超える水準へと上昇するにつれ、NRZは重大な課題に直面しています：

1. 帯域幅の制約： より高速なNRZ信号を伝送するには、チャネル帯域幅を指数関数的に拡大する必要があります（ボーレートに比例）。プリント基板（PCB）上の銅パターン、電気コネクタ、さらには光部品に至るまで、これらの周波数を損失の少ない形でサポートすることが困難になっています。.

2. 信号完全性の課題： 高いボーレートでは、信号整合性ダイアグラムにおける「アイ」開口部が狭くなり、信号はノイズ、ジッタ、減衰に対してはるかに脆弱になります。エラー率は急増します。.

3. 消費電力： 極端なNRZ速度において必要な信号整合性を達成するには、しばしば複雑で消費電力の大きい等化技術が必要です。.

PAM4：データ量を倍増させ、ボーレートは倍増させない

PAM4は、データの符号化方法を根本的に変えることで、これらの制限を克服します。2つのレベルではなく、PAM4は four distinct voltage levels. を使用します。

• レベル0： 00

• レベル1： 01

• レベル2： 10

• レベル3： 11

主な利点は？PAM4は、1シンボル周期あたり2ビットの情報を送信します。, これは、NRZの1ビットと比較して2倍です。つまり、同一のボーレート（1秒あたりのシンボル数）において、PAM4はデータレートを2倍にできます。.

▶ PAM4とNRZの比較図

機能	NRZ（PAM2）	PAM4	PAM4の利点
レベル数	2 (0, 1)	4 (00, 01, 10, 11)	シンボルあたりのデータ量を増加可能
ビット／シンボル	1	2	同一ボーレートでデータレートを2倍化
対象データレートに対するボーレート	高い（例：56Gbpsの場合56GBaud）	低い（例：56Gbpsの場合28GBaud）	チャネル帯域幅要件の低減
信号の複雑さ	低い	高い（電圧マージンが小さい）	NRZは単純だが、高速化にはPAM4が不可欠
ノイズ感度	ビットあたりの感度は低い	ビットあたりの感度は高い	より高度な技術を必要とする DSP
主な用途	≤25/28Gbps／レーン	56Gbps、112Gbps、224Gbps／レーン	次世代の高速化を実現

▶ PAM4の動作原理：信号生成と課題

PAM4信号の生成および解釈は、NRZよりも複雑です：

1. 送信機： 入力データストリームは2ビットずつのペアに分割されます（00, 01, 10, 11）。送信機のドライバ回路は、各2ビット組み合わせに対応する4つの精密な電圧振幅のいずれかを持つアナログ信号を生成します。.

2. チャネル： 信号は物理媒体（PCBトレース、ケーブル、光ファイバリンク）を通過します。この際、減衰、歪み、ノイズが発生します。.

3. 受信機： ここが大幅に複雑化するポイントです。受信機は、単に2つの電圧レベルを識別するのではなく、4つの電圧レベルを区別しなければなりません。隣接するレベル間の電圧差（例：レベル1からレベル2）は、NRZの全スイングのわずか3分の1です。この小さな アイの高さ PAM4を本質的に以下に対してより敏感にします：

   • ノイズ： ランダムな変動により、信号レベルが隣接するレベルの判定領域に容易に押し込まれることがあります。.

   • 減衰（アッテネーション）： 信号損失により振幅が減少し、アイ・ダイアグラムがさらに狭くなります。.

   • 歪み（ISI）： 時間的広がりにより信号が拡散し、シンボル同士が干渉します。.

4. デジタル信号処理（DSP）: これらの課題を克服するために、現代のPAM4システムは、両端での高度なDSP（デジタル信号処理）に大きく依存しています：

   • 送信機： チャネルの歪みを事前に補正するため、フィードフォワード等化（FFE）などの技術を用いて信号を予め整形します。.

   • 受信機： 強力な等化（例：連続時間線形等化（CTLE）、決定帰還等化（DFE））およびしばしば前方誤り訂正（FEC）を用いて、アイ・ダイアグラムを開き、損失／歪みを補償し、ノイズおよび狭いレベル間隔によって引き起こされるエラーを訂正します。FECは若干のオーバーヘッドを追加しますが、許容可能な
     9. を実現するには不可欠です。
     10. ▶ 影響：PAM4が未来を支える場所
     11. PAM4は、現在および次世代の高速インタフェースの基盤です： ビットエラー率（BER） in PAM4 systems.

▶ The Impact: Where PAM4 Powers the Future

PAM4 is the foundation for the current and next wave of high-speed interfaces:

• 400 Gigabit Ethernet (400GbE): 主に8チャネルの56Gbps PAM4（8×50G）または4チャネルの112Gbps PAM4（4×100G）を使用します。.

• 800 Gigabit Ethernet (800GbE): 112Gbps PAM4の8レーン（8×100G）を活用。.

• 6テラビット・イーサネット（1.6TbE）： 新規規格では、8チャネルの224Gbps PAM4が採用されています。.

• データセンター相互接続（DCI）： 非常に大規模なトラフィックを処理する巨大データセンター間の接続に不可欠です。.

• AI／MLクラスター： GPU／TPU間の高帯域幅・低遅延インターコネクトは必須であり、PAM4ベースの光通信および銅線通信技術に大きく依存しています。.

• 次世代ファイバーチャネル： より高速なストレージネットワークをサポートします。.

▶ LINK-PP光学トランシーバー：あなたのPAM4ソリューション

信頼性の高いPAM4技術を実装するには、高度に設計された 光トランシーバーモジュールです。. LINK-PP LINK-PPが最先端を走っており、現代の高速ネットワークが求める厳しい要件を満たす最先端PAM4トランシーバーを設計・製造しています。当社のモジュールには、 高度なDSP, 、高品質部品、および厳格なテストが組み込まれており、過酷な環境下でも最適な信号完全性と性能を確保します。.

主なLINK-PP PAM4光学トランシーバー製品：

• LINK-PP LQD-CW400-FR4C: シングルモード光ファイバーを用いた2km伝送距離向け高性能400Gモジュールで、データセンターのスパインおよび相互接続に最適です。. （400Gデータセンター・ファブリックのニーズに完璧に対応）

• LINK-PP LQ-M85200-SR4C: このトランシーバーは、データセンターおよびエンタープライズネットワークなど、短距離伝送を主とするシーンで使用され、高速データ伝送を実現します。.

を介して広範なネットワークに接続されます。 信頼性の高い光モジュールが、 PAM4信号の複雑さを確実に処理できるよう設計されており、お客様のネットワークが必要な バンド幅密度 および性能を低消費電力で達成できるようにします。.

▶ PAM4のメリットとトレードオフ

• 利点：

  • バンド幅効率の2倍化： ボーレート／チャネル帯域幅を2倍にすることなく、より高いデータレートを実現します。.

  • より高速な通信を可能にします： 既存および近未来のチャネル能力を活用して、 400G、800G、および1.6T の実現を可能にします。.

  • 後方互換性： NRZ方式向けに設計された既存の配線インフラ上で動作させられる場合が多く（ただし、伝送距離は短縮される可能性があります）。.

• トレードオフ：

  • 複雑さとコストの増加： 高度なDSPおよび、場合によっては高消費電力のASIC／ICが必要です。.

  • より高いSNR（信号対雑音比）要件： 電圧マージンが小さいため、よりクリーンなチャネルと優れた信号完全性設計が求められます。.

  • DSPの消費電力： 強力な等化およびFEC（前方誤り訂正）エンジンは、多大な電力を消費します。.

  • FECのオーバーヘッド： 誤り訂正により遅延が発生し、生の帯域幅の一部が使用されます。.

▶ 結論：PAM4は今後も継続的に使われます

PAM4はニッチな技術ではなく、私たちのデジタル世界を支える高速ネットワークにとって不可欠な技術です。確かに複雑さを伴いますが、チャネル帯域幅を比例的に増加させることなくデータレートを2倍にするというメリットは、需要の拡大に応じてネットワークをスケールさせるために不可欠です。PAM4を理解することは、現代のデータセンター、クラウド、通信、エンタープライズネットワークの設計・展開・運用に関わるすべての方にとって重要です。.

あなたのネットワークでPAM4のパワーを活用する準備はできましたか？

当社LINK-PPの高性能PAM4光学トランシーバー全ラインナップ、特に業界をリードする400Gおよび800Gモジュールをご覧ください。. 当社の専門家が、お客様の特定の帯域幅、伝送距離、密度要件に最適な コスト効率の高い光学モジュールソリューション をご提案いたします。.

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よくある質問

PAM4とは何の略ですか？

PAM4は「4レベルパルス振幅変調（Pulse Amplitude Modulation with four levels）」の略です。4つの異なる電圧レベルを用いてデータを送信します。各レベルは一意の2ビットペアを表します。.

なぜPAM4ではエラー訂正が必要なのですか？

PAM4信号は電圧レベル間の間隔が狭いため、ノイズによって容易に誤りが発生します。エラー訂正により、こうした誤りを修正し、データの安全性を保ちます。.

PAM4は長距離リンクにも使えますか？

通常、PAM4は短距離または中距離のリンクに使用されます。長距離では信号品質が劣化するため、信号を明瞭に保つために追加の機器が必要になる場合があります。.

PAM4はどのようにデータレートの向上を支援しますか？

PAM4では、1シンボルあたり2ビットを送信できます。これにより、帯域幅を増やさずにデータレートを2倍にし、ネットワークをより高速かつ効率的にします。.

PAM4は光ファイバーのみで使用できますか？

いいえ、PAM4は光ファイバーだけでなく、銅線ケーブルでも使用可能です。多くのデータセンターでは、両方の接続タイプにPAM4が採用されています。.

ヒント：最速の速度を実現したいなら、PAM4がお客様のネットワークでどのように機能するかを学びましょう。.