MPLS Japan 2022

未来のインターネットを支える
シリコンと省電力イノベーション
2022年11月
シスコシステムズ合同会社
秋山 繁
sakiyama@cisco.com

データの爆発
X224 Months

175 ZB4 Years

2025年までにデータ量は毎年50％ずつ増加生成されるデータ量は4年間で175ゼタバイト
世界のデータの90％は、過去2年間で生成2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025

データの爆発的な増加。2025年までにインターネットは世界の電力の20％を消費し、国で例えると世界で5番目に大きなエネルギー消費(国)になると予測されている© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic

実現を目指すことを宣言しており、政府全体の方針でもグリーン・デジタル社会の実現や 2040 年の情報通信産業のカーボンニュートラル達成などが位置づけられているなど、ICT 分野におけるグリーン化・デジタル化に向けた取組を推進していくことが必要である。

第通信とエネルギー消費章
総務省における
IC
T
政策の取組状況

図表 4-7-1-2

通信トラヒックと ICT 分野のエネルギー消費の動向

通信トラヒックの増加傾向

ICT 関連消費電力の予測（Gbps）

20000027,500
通信トラヒック（実測値）
通信トラヒック（コロナ禍前の実測値からの推計値）

25,00022,50023,89917,50012000019,821
19,025

12,500

8,027

54％増

4000 倍4000倍
以上

コロナ禍による生活様式の変化に伴い、通信トラヒックは過去の実績値から推計される値より大幅に増加

5,000

15000

2016 年の日本の年間電力消費量（980TWh）の 180 倍

40000

025000

20000

以上

60000

20000

176,200（単位：TWh/Year）

80000

12,65012,086
10,976
10,2898,9037,500（単位 :TWh/ 年）

10000015,50915,000160000140000コロナ禍前からコロナ禍前から2 倍増
2倍増

20,00010,000180000

ICT インフラ（データセンター、ネットワーク）関連消費電力予測

41

1,480

2016 年

2030 年

10000

9,000

550倍
550 倍
以上
以上

12,0005000

2050 年対象とした IT 関連機器
• データセンター（サーバ、ストレージ、ネットワーク、空調その他）• エンドユーザー（PC）• ネットワーク（ルータ・スイッチ、無線通信・端末）

0

23

9390
2030

14
2018

データセンター

2050

ネットワーク05※ICT 分野において、このまま技術革新が行われず、消費電力がデータトラヒックに比例して増大すると仮定して推計※ルータ等の消費電力効率等に一定の仮定を置いた上での推計

出典：総務省（2021）
我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計結果を基に事務局作成

出典：JST 低炭素社会戦略センター（2019）
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.1）

出典：JST 低炭素社会戦略センター（2021）
低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書
情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.3）

2701.052701.1

12801505

1.1.0

801

22

9.
01

11.
19202020

5.0

11.
2020.
2120

（出典）総務省 情報通信審議会 情報通信技術分科会 第 27 回技術戦略委員会資料
情報通信白書

令和四年度

日本のトラフィックは過去2年で倍増、トラフィック増大に伴うICTの電力消費は加速の見通し© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco’s net zero commitment
Scope 3:
その他

シスコは2025年までに全世界のScope 1とScope 2のすべての排出量についてネットゼロの達成し、2040年までに製品、事業、サプライチェーン等の全てのScopeのネットゼロエミッションの達成を公約

Scope 1 & 2

自社の企業活動（シスコ社の電気代など）

Scope 3:

サプライチェーン
（間接購買を含む）

Scope 3:

販売製品の利用・廃棄（シスコ製品の利用者）© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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BRKGEN-1009

44

ドイツテレコム事例

システムパフォーマンス

100Gbps 消費電力

ラックスペース

260T
-92%

8ラック

1ラック

40T
6.5 倍

92% 削減1/8に削減https://www.rcrwireless.com/20211020/chips/deutsche-telekom-cisco-redesign-network-in-europe-to-improve-internet-reach-speed
https://newsroom.cisco.com/c/r/newsroom/en/us/a/y2021/m10/deutsche-telekom-and-cisco-deliver-faster-internet-to-connect-more-people-across-europe.html

Cisco Silicon Oneを搭載したCisco 8000を導入し、ドイツテレコムの環境目標達成に向けて大きく貢献© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco Silicon One ASIC

Cisco Silicon One ASIC
NCS 6008
1,876 Chips

ü 50x NPU
ü 50x Fabric Interface
ü 1750x DRAM

1 Chip1/1876に削減

288 Watt

1/38に削減14kg

1/64に削減

Cisco 8201-32FH
2021年リリース
12.8TbpsのSilicon One ASICを搭載

11,000 Watt
907kg

2014年リリース
システム全体で8Tbps

1箱(2.5 ft ) 1/202に削減
310パレット(570 ft )3Cisco Silicon One ASICは1チップで前世代のルータより転送性能を1.6倍に向上、電力消費を97％削減© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco Silicon One
Q200の特徴

3.2T〜12.8 Tbps

8.1 Bpps

Cisco Silicon ONE Q200

Industry Leading
12.8T System on Chip

8GB HBMディープバッファ

6M IPv4/3M IPv6
ルートスケール

P4 NPL
プログラマブル
パイプライン

7nm ASIC
省電力(2.25W/100Gbps)(1世代目比較 4割減)

フルP4プログラマブル
フィーチャーベロシティの実現

マルチスライスアーキテクチャ
柔軟性と拡張性50G
PAM4Serdes

１つのアーキテクチャでスイッチングのパフォーマンスとルーティングの柔軟な機能性を両立© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco Silicon One Family

One Architecture | Multiple Functions | Multiple Form Factors | Multiple Networks | One Experience

統一されたスケーラブルなアーキテクチャを持つことで、わずか2年で11種類のSilicon One ASICをリリース© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Router-on-Chipモード

Cisco Silicon One 動作モードとフォームファクタ
Fixed System

Centralized System

Cisco 8100/8200

Fabricモード

Modular System

Cisco 8600

Cisco 8800

Route Processor

Route Processor

Switch Card

Linecardモード

FabricLinecard
Interface
ModuleOptics

１つのアーキテクチャで「Router on Chipモード」・「Linecardモード」・「Fabricモード」の3つの動作モードに対応© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic従来のスイッチング/ルーティングシリコンの制約
RouterSwitching Silicon
SwitchRouting Silicon

Pipeline0

バッファ：小バッファ：大コア

スケール：小スケール：大スループット：大スループット：小Pipeline0

コア

Pipeline1
Pipeline2

ReplicateState between
コア毎にpairs of pipelines

データベースを複製

Scale is too large to
大規模データベースをreplicate
複数のコア複製できない
Pipeline1

LimitsLimits
性能の制約
Performance（コアは2個が限界）

データベースのサイズ制限
Scale（スケールの制約）
Pipeline3

l 大規模データベースの複数コアへの複製不可à小規模データベースのためスケール拡大を制限

メモリアーキテクチャによるトレードオフ© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublicl 大規模データベースの複数コアへの複製不可
àコアの拡張による性能向上を制限

ハイパフォーマンス vs ハイスケール

Cisco Silicon Oneのイノベーション
Fully buffershared packet buffer
Fully shared packet

スケール：大ü 4、6、8つの高速ネットワークスライス
ü リニアに転送性能を拡張(Q200@8Bpps)
ü シリコン面積と電力で効率的

Slice0

Slice0

バッファ：大l スライスアーキテクチャ

l 共有メモリデータベース

スループット：大スライス共有メモリ

l ハイブリッドバッファリング

SliceN

SliceNü 一つの大規模な共有メモリデータベース
ü 各スライスからメモリにアクセス可能ü オンチップ高速SRAMとコ・パッケージしたHBMメモリを併用
ü すべてのスライスが同じプールを使用

ハイブリッドRTC

Largeshareddatabases

ExternalLarge
packetshareddatabases
buffer(Som e devices)

ExternalLargepacketshareddatabases
buffer(Som e devices)l ラン・トゥ・コンプリート(RTC)設計
Large
shareddatabasesü 処理に応じた柔軟なパイプライン処理
ü 単純な処理は、通常のパイプライン設計と異なりフルパイプライン処理が不要で効率的

Silicon One : 共有メモリアーキテクチャでルーティングスケールとスイッチングパフォーマンスを両立© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco Silicon One 省電力を実現するテクノロジ
半導体プロセスの微細化

共有データベース
Fully buffershared packet buffer
Fully shared packet

10.8T

Slice0

CDB

12.8T

16nm

SliceN

HBM

7nm

Slice0

Q200

SliceNQ100

広帯域オンチップメモリ

7m

Largeshared
databases

ExternalLargepacketshareddatabases
buffer(Som e devices)

ExternalLargepacketshareddatabases
bufferLargeshareddatabases(Som e devices)l Q200は7nmのプロセスで製造
l 半導体の微細化により、第1世代のQ100と比べて性能を18%向上し、消費電力を削減

l HBM(High Bandwidth Memory)は従来のオンダイの内蔵SRAMに比べて100倍以上の容量l オフチップメモリへの接続を不要とし、配線リソースと電力を節約

l すべてのスライスが共通のデータベースメモ
リ(CDB) から直接読み込み、追加のメモリ操作が不要
l 複数のコアに個別メモリをもつアーキテク
チャと比べて、メモリリソースを集約

7nmプロセス

8GB HBM

高効率な共有データベース

半導体プロセスの微細化、広帯域オンチップメモリ、共有データベースによりQ200は第1世代より40%の省電力化を実現© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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Cisco Silicon One 第3世代 ASIC P100/G100
HBM

VoQ

TxPP

SCH

Slice 2

SCH

TxPP

IFG
IFG

VoQ

RxPP

IFG
IFG

TxPP

IFG
IFG

RxPP

VoQ

TxPP

SCH

Slice 2

IFG

TxPP

IFG
IFG

RxPP

IFG
IFG

TxPP

IFG
IFG

…

SCH

IFG

…

…

TxPP

RxPP

…

…

IFG

VoQ

IFG

…

…

IFG

VoQ

Slice 1

IFG

…

…

IFG

RxPP

TxPP

Slice 4

…

…

IFG

SCH

IFG

…

…

IFG

SCH

Slice 0

IFG

…

…

IFG

TxPP

RxPP

…

…

IFG

VoQ

…

…

IFGVoQ

…

…

IFG

TCAM
…

…

IFG

RxPP

Slice 5SCH

SMS / XBAR

…

IFG

IFG

Slice 4

SRAM
IFG

IFG

…

RxPP

RxPP

…

…

IFG

SCH

VoQ

…

…

IFG

TxPP

IFG

…

…

IFG

Slice 1

IFG

…

…

IFG

VoQ

TxPP

RxPP

Slice 3

…

…

IFG

RxPP

SCH

…

…

IFG

SCH

IFG

…

…

IFG

TxPP

IFG

…

…

IFG

VoQ

…

…

IFG

VoQ

Slice 0

…

…

IFG

RxPP

TCAM
…

…

IFG

SMS / XBAR

…

IFG

SRAM

Slice 5
SCH
VoQ
SCH

Slice 6…

…

…

…

Slice 7…

…

Slice 319.2 Tbps Cisco Silicon One P100
l 第3世代ルーティングASICl 7 nmプロセス
l 6 スライスl HBM対応(8GB オンチップバッファ)l Multi-rate 192 x 112G SerDes
l 800G/1.6T対応
l QSFP-DD800 ポート(2x400G,8x100G)l Q200と比べてスケール向上、エッジ性能を向上…

…

25.6 Tbps Cisco Silicon One G100
l 第3世代スイッチングASICl 7 nmプロセス
l 8 スライスl HBM非対応
l Multi-rate 256 x 112G SerDes
l 800G/1.6T対応
l QSFP-DD800 ポート(2x400G,8x100G)

7nmプロセスの採用、800G/1.6Tに対応した112G SerDes、Bitあたりの省電力化© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic

Cisco Silicon Oneの展開
SP RoutingQ100

Q200

P100

G100

Cisco 8000 シリーズ

Enterprise Switching

Data Center Switching

Q200

G100

Catalyst 9500X/9600X シリーズ

Nexus 9300 シリーズ

Cisco Silicon One対応製品のポートフォリオを順次拡充し、適用領域を拡大© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic

Cisco 8000の省エネ技術のイノベーション
シャーシ設計13 冷却効率• 直交シャーシ設計• ミッドプレーンレス
ラインカードとファブリックは直交して直接接続しミッドプレーンを排除

前面吸気によるオプティクスの直接冷却• 大型ファン
冷却性能向上と低速回転• ラインカード
ラインカード長を伸長し、大型ヒートシンクに対応• ファン制御アルゴリズム
ASIC、コヒーレントオプティクス、CPU、SSDの温度に応じた制御• NPU電力プロファイル• 高電圧バスバー

High/Medium/Lowモードの切り替え

LC内部コンポーネントまで高電圧配電（1-2KW削減）• アイドル時の電力制御
未使用デバイス、ポート、ファブリックの SerDes への電源供給を停止• POL(Point-of-Load)の削減
電圧変換ロスを改善（5%改善）• ファブリック• HVDCオプション

DC設備及びシャーシ内の送電ロス改善

電力効率

2

低帯域時のファブリック稼働数削減(5-fabric modeで40%減)

4 グリーンモード

ゼロからシステムを見直し、電力制御の最適化を行うことで電力消費効率を最大化© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublicファン制御アルゴリズムの最適化効果
改善アルゴリズム*改善アルゴリズム(ZR/ZR+)*

Cisco 8818

これまでのアルゴリズム

Cisco 8812

消費電力(W)

Cisco 8808

Cisco 8804

ファン回転数* 環境温度27度、14T LC 2枚実装時

装置内のデバイスの温度と使用しているオプティクスに応じたファンの制御により定常時の電力消費を削減© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic

NPUの電力プロファイル

消費電力 (W)600

Cisco Silicon One Q200 はNPU電力最適化機能を実装

NPUの電力モードは、高(High)、中(Medium)、低(Low)の3種類
ネットワークトラフィックや消費電力の要件に応じて選択可能
Q200を搭載している8100/8200シリーズ、8800ラインカード/ファブリックで利用可能

500
400

高負荷時

Watts

あらかじめ定義されたモードでプロセッサを実行する
ことにより、NPUの消費電力を制御

Cisco 8201-32FH

300
定常時

200
100
08201-32FH
Low typicalLow

Medium8201-32FH
High
stressMedium

環境温度

High

負荷Byteサイズ

定常時

22℃

15%

768 Byte

高負荷時

22℃

75%

200 Byte

NPUの電力プロファイルを切り替え、トラフィックの負荷に応じて消費電力を最適化© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic10T+ルーティングシステム

Cisco 8201-32FH

Other Routing Silicon (7.2T)

Silicon One (12.8T)

ファブリックインターコネクト

9.6T

9.6T

7.2T

7.2T

36x400G

全てのSerDesをインタフェースに使用できる
一部のSerDesのみインタフェースに使用できる

冷却制約のため
2RUのスペース

12.8T

32x400G

14.4T@2RU (7.2T/1RU)

12.8T@1RU

750W* (5.2W/100G)

288W* (2.25W/100G)*オプティスクを含まない消費電力

Silicon Oneベースのシステムは、1.8倍のスペース効率、2.6倍の電力効率© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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100T+ルーティングシステム
Modular System(153.6T)

Leaf/Spine Fabric (204.8T)

Cisco NCS 5516

Spine

Modular System (259.2T)
Cisco 8818

Leaf

16 x Cisco 8101-32FH Spine
32 x Cisco 8201-32FH Leaf
512 x AOC (5M) interconnects

16 x 9.6T LC

18 x 14.4T LC

153.6T@21RU (7.3T/1RU)

204.8T@48RU (4.2T/1RU)

259.2T@33RU (7.8T/1RU)

23.8KW (15.5W/100G)

25KW (12.2W/100G)

17.4KW (6.71W/100G)

Silicon OneベースのModular Systemは、Leaf/Spine Fabricの1.85倍のスペース効率、1.8倍の電力効率© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

C isco P ublic

ネットワークベンダーは顧客のネットゼロの目標に貢献できる
最新のルーティングシリコンは圧倒的な性能と省電力化を実現

まとめ

省エネはデバイスとシステムの両面で最適化
ネットワークデバイスの省電力性能は適材適所（ボックス vs モジュラ）© 2 0 2 2 C isco and/or its affiliate s. All rights re se rve d.

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