はじめに
現代社会において、データ通信量は爆発的に増加し続けています。
5G、AI、IoTといった先端技術の普及に伴い、データセンターや通信インフラは、かつてないほどの高速・大容量伝送への対応を迫られています。
このような技術的要請に応えるため、新たな通信技術が次々と開発されていますが、その中でも特に重要な役割を担っているのが「PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）」と呼ばれる変調方式です。
本稿では、この次世代の高速通信を支えるPAM4技術について、その基礎から応用、導入時の注意点、そして将来の展望までを体系的に解説していきます。
PAM4とは何か：基礎から理解する次世代変調方式
次世代の高速通信を実現するPAM4
近年、通信インフラやデータセンター、そして5GやAIによるデータトラフィックの増加を背景に、より高速で効率的なデータ伝送技術が求められています 。
その中で注目されているのが、PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-level）と呼ばれる変調方式です 。
従来のNRZ（Non-Return-to-Zero）方式に代わり、次世代の高速通信を実現する技術として、さまざまな業界で採用が進んでいます 。
データレートを倍増させる仕組み
PAM4は、1つのシンボルで2ビット分の情報を送信できる変調方式です 。
従来のNRZでは、1つのクロックサイクルあたりに送れるのは1ビットのみであったのに対し、PAM4では4つの異なる振幅レベルを用いて、2ビット（00、01、10、11）を1度に送信できます 。
これにより、信号の帯域を拡大することなくデータレートを倍増させることができ、既存の物理インフラを活かしたまま高速化が可能となります 。
標準化と技術的課題
この技術の登場により、イーサネットやPCIe（Peripheral Component Interconnect Express）、InfiniBandといった高速インタフェース規格においても、PAM4が標準化されるようになっています 。
特に400Gイーサネット以降の通信では、PAM4は事実上の標準となっており、データセンターやクラウドサービスの構築・運用に関わるエンジニアや情報システム部門の担当者にとっては、無視できない技術となっているのです 。
しかしながら、PAM4は技術的な利点と引き換えに、従来方式にはない課題も持ち合わせています 。
たとえば、ノイズ耐性の低下や誤り訂正技術の導入、より高度な信号処理の必要性などです 。
これらの点についても、次章以降で詳しく掘り下げていきます 。
PAM4の技術的特徴と仕組み：NRZとの違いを中心に
NRZ方式との信号レベルの違い
PAM4を理解する上で、まず重要なのはその構造と信号レベルの理解です 。
従来のNRZ方式は、0と1の2つのレベルで情報を伝達していましたが、PAM4では0、1、2、3という4つのレベルを使用します 。
つまり、各シンボルが2ビットの情報を持つため、信号の状態を観測すれば、より多くのデータを同じ時間内に伝送できるわけです 。
帯域幅を変えずにスループットを向上
たとえば、同じ25GHzの帯域幅を用いた場合、NRZでは25Gbpsの伝送速度が限界でした 。
しかしPAM4では、同じ帯域幅で50Gbpsの伝送が可能になります 。
これにより、帯域の物理的制約を超える形で、スループットの向上が実現されているのです 。
ノイズ耐性と誤り訂正技術（FEC）の必要性
ただし、信号の振幅レベルが増えるということは、そのぶん各レベル間の間隔が狭くなり、ノイズの影響を受けやすくなるという側面もあります 。
つまり、同じノイズレベルでも、NRZよりPAM4のほうがビット誤り率（BER）が高くなる傾向があります 。
そのため、FEC（Forward Error Correction）といった誤り訂正技術の導入が不可欠です 。
アイダイアグラムと設計の複雑性
また、PAM4信号はアイダイアグラムと呼ばれる解析手法で視覚的に評価されますが、アイオープン（信号の波形間の開き）がNRZと比べて狭く、受信側の回路設計にも高い精度が要求されます 。
高精度なクロックリカバリやチャンネル等化技術が必要となるのはこのためです 。
つまり、PAM4はその高速性に魅力がある反面、実装においては従来以上に複雑かつ精緻な設計が求められる技術であり、導入には十分な技術的検証と対応が求められるのです 。
PAM4の応用領域と実際の導入例
データセンターやクラウドインフラでの採用
現在、PAM4が採用されている主な領域としては、データセンター内のネットワーク、特にコアスイッチやリーフ・スパイン構成の上位レイヤー、またはクラウドインフラのバックボーン通信が挙げられます 。
通信の大容量化と高速化の要請を受け、200G、400G、800G、さらには1.6Tbpsといったイーサネット規格で、PAM4が標準として採用されるケースが増加しています 。
主要メーカーの対応製品
実際、CiscoやArista、Juniperといった大手ネットワーク機器メーカーは、自社製品にPAM4対応のトランシーバーやASIC（Application Specific Integrated Circuit）を実装しており、例えばQSFP-DDやOSFPといったフォームファクタの光トランシーバー製品群がそれに該当します 。
また、IntelやBroadcomなどの半導体メーカーも、PAM4対応のPHYチップを多数提供しています 。
5G基地局への応用
データセンターだけでなく、5G基地局のフロントホールやミッドホールでも、PAM4は有望視されています 。
低遅延かつ高帯域が求められるモバイルネットワークの中で、信号処理の効率性を保ちつつ、バックボーンとの高速接続を維持するためには、PAM4の技術的優位性が不可欠なのです 。
このように、PAM4は単なる理論的な技術ではなく、現実のネットワーク構築においても着実に存在感を高めており、製品選定やシステム設計の現場ではもはや不可欠な選択肢となっているのです 。
PAM4導入時の注意点と課題：ノイズ、温度、信頼性
PAM4の導入を検討する際には、その技術的な利点だけでなく、課題面にも目を向ける必要があります 。
特にセキュリティエンジニアや情報システム部門の担当者にとっては、実装後の運用性やトラブル時の対応容易性といった現実的な観点が極めて重要です 。
課題1：ノイズ感度の高さ
まず第一に注意すべきはノイズ感度の問題です 。
PAM4は振幅レベルが細かく分かれているため、わずかな外部ノイズによっても誤動作が生じるリスクがあります 。
そのため、伝送経路の設計やレイアウト、さらには基板のグランド設計においても、ノイズ抑制を前提とした設計指針が求められます 。
課題2：消費電力と熱問題
次に、熱の問題も無視できません 。
PAM4を用いることで、トランシーバーやPHYチップにかかる電力は相対的に増加します 。
これにより、筐体内の温度上昇が起きやすく、長期的な信頼性にも影響を及ぼします 。冷却ファンやエアフローの設計、温度センサーを活用した熱制御も必要不可欠です 。
課題3：エラーハンドリングの複雑性
また、PAM4のエラーハンドリングはNRZに比べて複雑で、専用のFECアルゴリズムを用いなければ、期待するBERには到達できません 。
システム全体としてのFEC対応や、ルーター・スイッチとの互換性チェックも入念に行うべきです 。
これらの問題を回避・緩和するためには、ベンダーの技術支援を得るとともに、事前のPoC（Proof of Concept）環境での評価が不可欠です 。
PAM4は導入メリットが大きい反面、導入後のサポート体制や技術力の有無が、成功・失敗を分ける要因となるのです 。
PAM4導入における最適なアプローチ：選定から実装、評価まで
フェーズ1：評価とロードマップ策定
PAM4の導入を成功に導くためには、技術的な理解と共に、計画的なアプローチが重要です 。
まず初期段階では、使用するネットワーク機器の互換性や帯域要件、将来的な拡張性を見据えた評価が必要です 。
現在のトラフィック傾向だけでなく、今後の事業拡大やデータ活用戦略も踏まえて、400Gや800Gといったロードマップを構築することが求められます 。
フェーズ2：製品選定とPoC
次に、製品選定では単に速度や価格だけでなく、PAM4対応の精度や信頼性、運用サポート体制も含めた多角的な評価が必要です 。
可能であれば、ベンダー提供のPoCやラボ環境を活用して、実運用に近い形で評価を実施することが理想です 。
フェーズ3：段階的な実装と品質評価
実装フェーズにおいては、設計、導入、試験、チューニングをフェーズごとに分けて、段階的にリスクを評価しながら進めるべきです 。
PAM4信号の品質確認やリンク安定性の評価には、専用のテスト機器や解析ツールが求められるため、社内に専門知識を持った技術者が不在の場合には、SIerやベンダーとの連携も視野に入れる必要があります 。
フェーズ4：継続的な運用と監視
最終的には、運用段階においても信号劣化の兆候や誤り率の監視を継続的に行い、問題が発生する前に対処する仕組みを整えることが肝要です 。
PAM4は一度導入すれば終わりという性質のものではなく、定期的な評価と保守が求められる長期的視点の技術なのです 。
今後の展望とPAM4が果たす役割：Beyond 800G時代に向けて
主流技術としてのPAM4
通信の世界では、PAM4の次に来る変調方式として、さらに高密度なPAM8（8-level）やPAM16、あるいはコヒーレント変調方式の導入が検討されていますが、少なくとも今後10年にわたってはPAM4が主流の変調技術として地位を維持するものと考えられています 。
特に、低コストかつ低消費電力での高速伝送が求められるデータセンターや通信インフラの領域において、PAM4は極めてバランスの取れた技術と評価されています 。
技術の進化と普及の拡大
また、光トランシーバーの進化やシリコンフォトニクス技術の発展により、PAM4の信号処理効率や信号品質も年々向上しています 。
かつては高価で複雑だったPAM4対応機器も、現在では多くのベンダーが競争的な価格で提供しており、今後は中小規模の企業や教育・研究機関にも普及が広がっていくことが予想されます 。
データ駆動型社会を支える基盤技術
さらに、AIやビッグデータ、IoTといったデータ駆動型社会の到来に伴い、ネットワークインフラの要求は加速度的に増大しています 。
このような中で、既存インフラを最大限に活かしつつ、高速・高密度なデータ伝送を可能にするPAM4の価値は今後も揺るぎないものとなるでしょう 。
結論として、PAM4は単なる通信技術に留まらず、次世代社会基盤を支える要素技術のひとつであると言えます 。今後の技術革新や社会のデジタル化を見据えたとき、PAM4の正しい理解と適切な導入は、企業や組織にとって極めて重要な戦略的意思決定となるはずです 。
おわりに
本稿では、次世代の高速通信を支えるキーテクノロジーであるPAM4について、その基本的な仕組みから応用例、導入にあたっての課題や具体的なアプローチ、そして将来性までを解説しました。
PAM4は、従来のNRZ方式に比べて2倍のデータ伝送効率を実現する一方で、ノイズ耐性の低下や設計の複雑化といった課題も併せ持ちます 。
しかし、それらの課題を克服するための誤り訂正技術（FEC）や高度な信号処理技術も確立されつつあり、400Gイーサネット以降の標準技術として、その地位を確固たるものにしています 。
デジタル化が加速する未来において、高速で信頼性の高いネットワークは社会の生命線です。
その根幹を支えるPAM4技術を正しく理解し、戦略的に活用していくことが、これからのビジネスや社会の発展に不可欠であると言えるでしょう。
