【アーキテクチャ設計】光スイッチ（OCS）と電気スイッチ（EPS）の棲み分け：AIデータセンターのトポロジ戦略

AIデータセンターへの光スイッチ（OCS）の導入が進んでいますが、これはネットワーク内のすべての電気スイッチ（EPS）がOCSに置き換わることを意味するわけではありません。EPSの「パケット単位の制御」と、OCSの「省電力・大容量」は、それぞれ異なる役割を担います。

本記事では、データセンターの階層構造（Fat-Tree / Closアーキテクチャ）において、OCSの「適用が進む箇所」とEPSが「残る箇所」を整理し、両者がどのように棲み分けるのかをネットワーク設計の観点から解説します。

1. EPSが「残る」箇所：アクセス層（Leaf / ToR）

サーバー（GPUノード）に直接接続される最下層のネットワークスイッチ、いわゆるToR（Top of Rack）スイッチやLeafスイッチの層は、引き続きEPSが担う設計が現時点では主流と考えられます。

なぜEPSが重要とされるのか？

この層では、多数のサーバーから発生するトラフィックが最初に集約され、激しいパケットの衝突（マイクロバースト）の発生が問題となります。そのため、以下の機能が不可欠となります。

• パケットバッファリング: 衝突時にデータを一時保存し、パケット損失の発生を抑制する。
• 輻輳制御: RoCEv2などで必須となるPFC（一時停止要求）やECN（マーキング）の制御拠点としての役割。
• ヘッダ解析と細かい制御: パケット単位での宛先判断（L2/L3ルーティング）と、QoSに基づくトラフィックの優先度制御。

物理的な光の経路を提供するOCS単体ではパケット処理機能を持たず、これらの処理を実施できないため、周辺のEPSやSmartNICなどで補完し、サーバー直下のパケット制御能力を維持する構成が一般的です。

2. OCSの「適用が進む」箇所：集約・コア層（Spine / Core）

OCSの適用が最も期待され、実際にトラフィックのオフロードやバイパス用途として導入が進んでいるのが、Leafスイッチ群を束ねる上位階層であるSpine（スパイン）スイッチや、さらに上位のCore（コア）スイッチの層です。大規模なGPUクラスタ（Pod）同士を接続するバックボーンネットワークも対象となります。

なぜOCSの適用が検討されるのか？

Spine層以上では、個別のパケット処理よりも「大量のトラフィックをいかに効率よく、電力を使わずに運ぶか」が重視されます。

• パワーウォールの回避: Spine層のEPSはTbps級のトラフィックを処理するため、O-E-O変換による消費電力と発熱が甚大です。ここにOCSを適用することで、データセンター全体の電力効率の大幅な改善が期待されます。
• フローの性質（エレファントフロー）: AIの学習プロセス（特にデータ並列など）では、特定のPod間で大量のデータが長時間連続して流れる傾向があります。こうしたトラフィックは、通信パターンが比較的安定している場合には、パケットごとにルーティングテーブルを参照するよりも、OCSで物理的な経路を固定して透過させた方が有効とされるケースが多いです。
• 帯域アップグレードへの耐性: OCSはEPSに比べてビットレートの影響を受けにくいため、将来的に400Gbpsから800Gbps、1.6Tbpsへとネットワークを増速する際も、インフラへの影響を最小限に抑え、機器変更の範囲を限定できるという利点があります。

3. 次世代ハイブリッドアーキテクチャ：動的トポロジへの展開

EPSとOCSの棲み分けは、単に「上をOCS、下をEPS」とするだけでなく、AI特有の動的なネットワーク再構成（Dynamic Topology）という新たな設計アプローチを可能にします。

ソフトウェア定義の光配線基盤としてのOCS

OCSは、Spine層において「プログラム可能な巨大なパッチパネル」として機能します。

AIの学習モデルや並列化の手法が変わると、GPU間で通信が集中する相手（トラフィックパターン）も変化します。従来のEPSのみの構成では、すべてのパターンに対応できるようにあらかじめ網羅的な経路を用意しておく必要がありました。

Spine層にOCSを導入すれば、学習フェーズの切り替わりに合わせてSDNコントローラがOCSを制御し、トラフィックが集中するPod間を論理的に最短経路となるよう構成することができます。不要な経路の利用を抑制し、必要な経路のみに帯域を集中させるといった、ソフトウェア主導による論理トポロジに対する物理接続の動的な最適化が可能となります。

結論：適材適所のハイブリッド設計

AIデータセンターネットワークにおけるOCSとEPSの関係は、競合ではなく補完関係にあります。

• EPS（Leaf層）: トラフィックのエッジで複雑なパケット制御、バッファリング、プロトコル処理を担う。
• OCS（Spine / Core層）: コアネットワークにおいて、超大容量のトラフィックを中継ノードにおいてO-E-O変換を回避しつつ透過させ、ソフトウェアの指示で物理経路を柔軟に組み替える。

通信の性質と処理レイヤに応じて両者を棲み分けるハイブリッドアーキテクチャは、今後の超大規模AIインフラの課題（電力・帯域・遅延）を解決するための、現実的かつ有力な設計アプローチとなっています。