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スイッチ内部：ASIC、SerDes、ポートグループ、制御プレーン

スイッチのポートは、トランシーバーの手前にある最後の関門です。モジュールに許可される内容の大半 — どの速度が使えるか、ブレークアウトが機能するか、同時に 25G で動作できるポート数、DDM をどれだけの頻度でポーリングするか — は、そのポートの背後にあるシリコンとファームウェアが決めています。このページでは、その中身を開いて見ていきます。フォワーディング ASIC とその SerDes、レーンがどのようにポートへまとめられるか、制御プレーンの CPU が2線バスに対して何を行うか、そして光モジュール用の電力と熱がどこから来るかです。

スイッチのブロック図：フロントパネルのケージ、PHY とリタイマー、フォワーディング ASIC、NOS を実行する制御プレーン CPU、I²C バス、電源とファン

3つのプレーン

プレーンハードウェア光モジュールに対する役割
データプレーンフォワーディング ASIC（Broadcom Trident/Tomahawk、Marvell、Nvidia Spectrum などのマーチャントシリコン、またはベンダー独自設計）、その SerDes、PHY／リタイマーモジュールへの電気レーンを駆動し、PCS/FEC、MAC、フォワーディングを実行する
制御プレーンネットワーク OS を実行する汎用 CPUI²C 経由でモジュールの EEPROM を読み取り、識別情報を検証し、ポリシーを適用し、レーンを設定し、DDM をポーリングし、アラームを発する
管理アウトオブバンドのイーサネット／コンソール、場合により BMCshow interface transceiver や syslog が見える場所

データプレーンは高速だが単純な処理しかしません。制御プレーンは低速ですが、判断を下すのはこちらです。だからこそ、モジュールが電気的には完璧であっても「unsupported」になり得るのです。CPU が拒否したということです（ホストが行うこと）。

SerDes とレーン

すべてのポートは、ASIC から出るSerDes レーンの束です。レーンあたりのレートは、チップの世代によって決まります：

ASIC 世代（典型例）SerDes レーンポートの選択肢
1G 世代1.25 GBdSFP 1G、RJ45
10G10.3 GBdSFP+；4レーン → QSFP+ 40G
25G25.78 GBd NRZSFP28；4レーン → QSFP28 100G；10G へのフォールバックも多い
50G26.5 GBd PAM4SFP56；QSFP56 200G；8レーン → 400G（QSFP-DD/OSFP）
100G53.1 GBd PAM4QSFP112；8レーン → 800G
200G106 GBd PAM48レーン → 1.6T（OSFP224、16レーンの OSFP-XD）

モジュールには、SerDes が生成できるレーンレートが必要です。25G の SerDes ポートが 10G モジュールを駆動できるのは、その SerDes が低いレートにも対応している場合に限られます（ほとんどは対応しています）。チップによっては、50G PAM4 のレーンを 25G NRZ のレーンまで落とすことができず、それが「このポートは 25G に対応していない」という現象の原因になります（イーサネットの世代）。

ポートグループと速度の制約

SerDes はクワッド（クロック／PLL を共有する4レーンの組）単位で構成されています。その結果：

  • 速度グループ — 多くの 25G プラットフォームでは、1つのクワッドを構成する4つの SFP28 ポートは、すべて 10G またはすべて 25G で動作する必要があります。混在させると拒否されるか、黙ってダウングレードされます（速度とレート）。
  • ブレークアウト — QSFP ポートの4レーンが4つのポートになれるのは、ASIC とポートの PHY マッピングがそれを許可している場合に限られます。ブレークアウトできるのは特定のポートだけ（または1つおき）であることが多く、あるポートでブレークアウトを有効にすると、隣接ポートが無効になります（ブレークアウトと MPO 配線）。
  • ポートグループ単位の FEC — FEC モードがグループ全体で共有されることがあります。
  • オーバーサブスクライブされたアップリンク — 設計によっては、ASIC が持つ以上のフロントパネルレーンを多重化しており、すべてのポートが同時にフルレートで動作できるわけではありません。

これらの規則はポートごとにプラットフォームのハードウェアガイドに記載されており、モジュール側からは見えません。

ボード上の PHY、リタイマー、ギアボックス

ASIC とケージの間には、PHY（RJ45 ポート用）、リタイマー（高密度ボックスで長い基板配線をクリーンにする）、ギアボックス（一部の 100G 設計での 2×50G の ASIC レーン ↔ 4×25G のモジュールレーンなど）、またはMACsec エンジンが挟まることがあります。それぞれがレイテンシと、独自の速度／FEC 制約を追加し、それぞれがレーンの設定を誤り得るもう一つの箇所になります。ポートが「ASIC に直結」しているかどうかは、LPO 光学系にとって重要です。LPO はモジュールに到達するために ASIC 自身のイコライザーを必要とするためです（変調と DSP）。

制御プレーンと2線バス

  • CPU はI²C マルチプレクサ（ポートごと、またはグループごとに1本のバス）を通じてモジュールの EEPROM にアクセスします。多くの場合、存在信号、LPMode、リセット、割り込みピンも扱う CPLD/FPGA 経由です（2線インターフェース）。
  • 立ち上げはソフトウェアによる一連の手順です：検出 → 識別情報の読み取り → 検証 → 電源投入 → レーンの設定 → Tx の有効化 → DDM のポーリング。CMIS をどこまで実装しているかは NOS のリリースごとに異なります（CMIS の問題）。
  • DDM のポーリングは CPU によってスケジュールされます — 通常は数秒から1分ごとです。数百ポートが1つの管理 CPU を共有するため、SNMP による負荷の高いポーリングは処理を遅くすることがあります（ツールで DDM を読み取る）。
  • ポリシー（ホワイトリスト、errdisable、サードパーティ製のオーバーライド）は、純粋な制御プレーンのコードです（各 NOS のモジュール検証方法）。

光モジュール用の電力と冷却

項目典型値備考
ケージあたり 3.3 Vクラスによる上限：1.5 W（SFP+）、3.5–5 W（QSFP28）、12–15 W（QSFP-DD）、15–25+ W（OSFP）超過すると → モジュールが低電力に留め置かれる（電力と熱）
フェースプレートの気流前面吸気または背面吸気モジュールのヒートシンクの向きの不一致や、吸気口の閉塞は光モジュールを過熱させる
光モジュール全体の電力予算400G ボックスで 32 × 12 W ≈ 0.4 kW、800G で 64 × 16 W ≈ 1 kWスイッチの電源ユニット定格のかなりの部分を占める

バッファー、フォワーディングと光モジュールとの関係

ほとんど関係はありません。ただし、輻輳制御機能（PFC、ECN）はリンクエラーと相互作用します。CRC でフレームを落としているポートは、ストレージや RDMA から見ると輻輳しているように見えます（ロスレスイーサネット）。フォワーディング容量（Tb/s）、バッファーサイズ、テーブルサイズがスイッチの役割を決めるのであって（役割とトポロジー）、光モジュールではありません。

マーチャントシリコンとカスタムシリコン、オープン NOS とクローズド NOS

モデル例光モジュールへの影響
マーチャント ASIC + ベンダー NOS大半のエンタープライズおよび DC スイッチ光モジュールの対応状況はベンダーポリシーが決める。ハードウェアの制約は ASIC 由来
マーチャント ASIC + オープン NOSホワイトボックスハードウェア上の SONiC、Cumulusポリシーは最小限。互換性テストは自己責任
カスタム ASIC + ベンダー NOS一部のキャリアおよびハイエンド DC プラットフォーム統合度が高い。もっとも厳格な検証であることが多い

NOS の全体像と、それぞれの光モジュールに関する挙動：ネットワーク OS。

CodingBox での作業

スイッチの判断は、モジュールの識別バイトに基づいて行われます。CodingBox が表示・編集するのはまさにこの部分です。SerDes が対応すべきレートコードとアプリケーション、ケージに対する電力クラス、ポートの PHY 経路に対応するコネクタと技術です（Check transceiver、EEPROM editor）。

SerDes がケージに渡すレーン束 — SFI、25GAUI、CAUI-4、400GAUI-8、800GAUI-8 — と、C2M 準拠点およびレーンマッピング：XGMII、XAUI と AUI ファミリー。MII から AUI までの全段階：メディア非依存インターフェース。

これらの部品がどのようにパッケージ化されるか — 固定構成、ラインカードとファブリックを備えたシャーシ、スタッカブル、産業用、ホワイトボックス — と、気流の向きおよび冗長性：スイッチクラスとフォームファクター。ラックに搭載した後のポートの呼び方：ポート名と LED。

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