通信機器の歴史

通信機器の歴史は、「情報を遠くへ送る技術」から「大量のデータを高速かつ低遅延で移動させる分散コンピューティング基盤」への進化として捉えることができる。19世紀の電信では電気信号を遠距離へ伝送すること自体が技術的ブレイクスルーであったが、電話の登場によって交換機が必要となり、通信機器は単なる送受信装置からネットワークを構成する装置へ変化した。その後、半導体、デジタル通信、パケット交換、Ethernet、IP、光ファイバー、WDM、ルーター、スイッチ、NIC、RDMAなどが順次発展し、2020年代にはGPUやAIアクセラレータを結ぶネットワークそのものがコンピューティング性能を左右するまでになっている。

通信機器の主要な技術的転換を整理すると、次のようになる。

電信から電話交換網へ

通信機器の原点は、電気信号によって情報を遠距離へ送る電信である。モールス電信などによって、情報を物理的に運ぶ必要がなくなり、通信速度が距離による人間の移動速度から電気信号の伝搬速度へと飛躍的に向上した。

しかし通信利用者が増えると、通信相手ごとに専用回線を用意する方式には限界が生じる。そこで登場したのが交換機である。電話交換機は利用者からの要求に応じて通信経路を切り替え、多数の利用者が有限の通信設備を共有できるようにした。

この段階で通信機器は、信号を送受信する装置から、通信経路を動的に構築する装置へと進化したのである。この「交換」という概念は、後のEthernetスイッチやルーターにも受け継がれる。

デジタル化とコンピュータ通信

20世紀後半になると、通信網そのものが電子化・デジタル化された。リレーや機械式交換機から電子交換機へ移行し、通信の制御処理にコンピュータ技術が導入された。

一方、コンピュータが普及すると、通信対象は音声だけではなくデジタルデータになった。モデムはコンピュータのデジタルデータを通信回線上の信号へ変換し、既存の電話網をデータ通信に利用することを可能にした。

ここから通信機器とコンピュータの関係が急速に接近する。通信機器そのものが高度なコンピュータとなり、ネットワークの制御、経路選択、エラー処理などをソフトウェアによって実行するようになったのである。

パケット交換の誕生

電話網が回線交換、すなわち通信の間中一つの物理回線を占有する方式であったのに対し、コンピュータ間通信ではデータを小さな単位（パケット）に分割し、共有された回線上で多数の通信を効率的に多重化するパケット交換という考え方が生まれた。

1969年に稼働を開始したARPANETは、IMP（Interface Message Processor）と呼ばれる専用装置をノードとして接続した、初期のパケット交換ネットワークである。1970年代には、通信事業者間の相互接続を目的とした国際標準規格X.25が策定され、公衆データ網として商用化された。

その後、より単純なプロトコル構造で高速化を図ったフレームリレーや、音声とデータを統合的に扱うことを目指したATM（Asynchronous Transfer Mode）などが登場したが、最終的にはARPANETの後継として発展したTCP/IPが、シンプルさと拡張性によって支配的なプロトコルとなった。この時期の交換機は、後のルーターの直接的な原型である。

Ethernetとスイッチ

1970年代に登場したEthernetは、コンピュータ同士をネットワーク化する技術として発展した。当初は共有媒体を複数のコンピュータが利用する構成であったが、通信量の増大とともにリピータ、ハブ、ブリッジ、そしてスイッチへと進化した。

スイッチはMACアドレスを利用してフレームの転送先を判断する。これによってネットワーク内の通信を効率的に分離し、通信容量を大幅に向上させることができた。

その後のEthernetスイッチは、単なる中継装置ではなく、専用のスイッチASICを搭載し、数百GbpsからTbps級のパケット処理を行う高度なコンピュータへと発展していった。

ルーターとインターネット

Ethernetが同一ネットワーク内のコンピュータを接続する技術だとすれば、ルーターは異なるネットワーク同士を接続する装置である。

TCP/IPの普及によって、世界中の異なるネットワークを相互接続するインターネットが形成された。ルーターはIPアドレスとルーティングテーブルを利用して、パケットをどの経路へ転送するかを判断する。

この時代にシスコシステムズなどのネットワーク機器メーカーが大きく成長した。通信機器産業は電話会社向けの通信設備市場から、企業のコンピュータネットワークを支えるITインフラ市場へと大きく拡大したのである。

光通信通信容量の爆発的拡大

通信量が増えると、電気信号を銅線で伝送する方式には帯域や距離の限界が現れる。これを根本的に解決したのが光ファイバーである。

光ファイバーは非常に広い帯域を持ち、長距離伝送に適している。そのため通信事業者のバックボーンでは光通信が急速に普及した。1990年代の光通信は、電話回線を効率よく多重化して運ぶSDH/SONETという技術が中心であり、ノキア（当時は通信インフラ事業を含む総合電機メーカーであった）、旧アルカテル、米国のルーセント・テクノロジーズなどが市場を先導していた。

さらに重要なのがWDM（Wavelength Division Multiplexing）である。複数の異なる波長の光を一本の光ファイバーに同時に通すことで、一本のファイバーの通信容量を大幅に増加させることができる。

ここで登場するのが光トランシーバー、トランスポンダー、ROADMなどの光通信機器である。光トランシーバーは電気信号と光信号を相互変換する装置で、スイッチやNICのポートに接続され、400GbEや800GbEといった高速通信を光ファイバーへ送り出す役割を担う。一方、トランスポンダーは通信事業者の光伝送網などで、クライアント側の信号を長距離光伝送に適した信号へ変換する装置であり、WDMシステムと組み合わせることで数百kmからさらに長距離の光ネットワークを構築できる。したがって、トランシーバーとトランスポンダーは同じものではない。前者は主としてネットワーク機器と光ファイバーの間を接続するインターフェースとして、後者は光伝送網の中で長距離伝送を成立させる装置として発展してきたのである。

ブロードバンドアクセス網の高速化

1990年代後半から2000年代にかけて、インターネットアクセスそのものが高速化した。DSL、CATV、FTTHが普及し、家庭や企業からインターネットへの接続速度が大幅に向上した。

この段階では、通信事業者側にDSLAM、CMTS、OLTなどのアクセス装置が配置され、加入者側の通信を収容してバックボーンへ転送する構造が形成された。

つまり通信ネットワークは、端末からアクセス網、集約網、コア網、データセンターへと至る階層構造を持つ巨大なシステムへ発展したのである。

移動体通信の発展

固定網とは別に発展してきたのが移動体通信である。1980年代のアナログ方式による第1世代（1G）から始まり、1990年代のデジタル化による第2世代（2G）でショートメッセージやデータ通信の基礎が整った。2000年代の第3世代（3G）は音声とパケットデータを統合し、スマートフォンの普及を支える基盤となった。

2010年代の第4世代（4G/LTE）は、通信網そのものを全面的にIPパケット交換方式へ移行させ、動画配信や大容量データ通信を実用的な速度で実現した。基地局とコアネットワークの間の伝送にも、Ethernetをベースとした高速な光ファイバー回線（モバイルバックホール）が用いられるようになった。

2020年代に商用化が進んだ第5世代（5G）では、高速大容量、低遅延、多数同時接続という三つの特性が追求され、基地局の仮想化（vRAN）やネットワークスライシングなど、通信インフラのソフトウェア化がさらに進展した。移動体通信は、固定網と並ぶもう一つの大きな通信機器の発展軸として、5Gにおいてデータセンター技術と急速に融合していった。

NICとRDMAネットワークがCPUの内部へ入る

データセンターの発展によって、通信機器の重要性はさらに変化した。サーバー同士の通信量が増大すると、単にスイッチの帯域を上げるだけでは不十分になったからである。

サーバー側にはNIC（Network Interface Card）が搭載され、CPUとネットワークの間でデータを送受信する役割を担うようになった。

さらにHPCや大規模クラスタでは、通信レイテンシとCPU負荷が大きな問題となった。そこで発展したのがRDMA（Remote Direct Memory Access）である。

RDMAでは、ネットワーク上の別のコンピュータのメモリへ、CPUによるデータコピーやカーネル処理を極力介さずにデータを転送できる。これによって通信レイテンシとCPUオーバーヘッドを削減できる。

InfiniBandはRDMAを中心とした高速クラスタネットワークとして発展し、スーパーコンピュータやHPCで広く利用された。さらにEthernet上でRDMAを実現するRoCE（RDMA over Converged Ethernet）が登場し、RDMAはデータセンターEthernetにも拡大した。

ここで通信機器の役割はさらに変わる。ネットワークは単に「サーバー間でパケットを運ぶもの」ではなく、サーバーのメモリとメモリを直接結ぶ高速なデータ転送機構になったのである。

クラウドとLeaf-Spine

クラウドコンピューティングの普及によって、データセンター内部のネットワーク規模は急速に拡大した。

従来型の階層ネットワークでは、サーバー数が増えると特定のスイッチや経路がボトルネックになりやすい。そのためデータセンターではLeaf-Spine構成が普及した。

Leafスイッチにサーバーを接続し、Spineスイッチによって多数のLeafを相互接続することで、サーバー間通信の経路長を均一化し、大規模な水平スケールを可能にしたのである。

さらにSDNやネットワーク仮想化によって、ネットワーク機器の設定や経路制御もソフトウェアから動的に行えるようになった。

この結果、通信機器は専用ハードウェアであると同時に、APIによって制御されるプログラマブルなインフラへと変化した。

SmartNICとDPU通信機器とコンピュータの融合

データセンターのネットワーク処理が高度化すると、ネットワーク処理そのものがCPUの負荷になった。そこで登場したのがSmartNICやDPUである。

SmartNICは通常のNICにCPUやFPGA、アクセラレータなどを組み合わせ、ネットワーク処理をNIC側へオフロードする。

DPU（Data Processing Unit）はさらに広い範囲を担い、ネットワーク、ストレージ、セキュリティ、仮想化などのインフラ処理をCPUから分離する。

これは通信機器の歴史における重要な転換である。通信機器が単にデータを運ぶのではなく、ネットワーク処理そのものを実行するプロセッサへ進化したからである。

光通信市場の再編キャリア専用機からクラウド向けへ

1990年代後半にインターネットが爆発的に普及すると、通信トラフィックの主役は音声からIPパケットへと急速に移行し、光通信業界の勢力図も大きく変わった。ルーターの絶対王者であったシスコシステムズは、インターネットのトラフィック急増に対応するため光通信分野へ本格参入し、1999年に光伝送ベンダーのセラエント（Cerent）社を買収して、IPのデータを直接光回線に乗せるという近代的なネットワークの土台を作り上げた。

2000年代に入ると、中国のファーウェイ（華為技術）が価格競争力と膨大な研究開発投資を武器に急速に台頭し、都市間を結ぶメトロ・バックボーン網のWDM装置で高いシェアを獲得した。世界の通信キャリアのインフラ低コスト化に大きく貢献した一方、これに対抗するため欧米の老舗メーカーは合従連衡を繰り返し、2006年にはフランスのアルカテルと米国のルーセント・テクノロジーズが合併してアルカテル・ルーセントが誕生した。

2010年代後半には、地政学リスクとハイパースケーラー（GAFAMをはじめとする巨大IT企業）の台頭という二つの要因が、光通信市場に最大の変化をもたらした。米国政府によるファーウェイへの制裁・排除の動きが本格化すると、欧米や日本の通信網から中国製機器が敬遠される傾向が強まった。この局面で存在感を高めたのがノキアである。ノキアは2016年にアルカテル・ルーセントの買収を完了しており、モバイル基地局から基幹光伝送網までをカバーする欧米有数の総合インフラベンダーとしての地位を固めた。さらに2024年6月に合意した大手光伝送ベンダーのインフィネラ（Infinera）の買収を2025年2月28日に完了させ、北米市場での存在感とAI・クラウド顧客向けの製品ラインを強化している。

もう一つの大きな転換が、通信キャリア向けの専用大型シャーシからクラウド事業者向けのDCI（データセンター相互接続）需要への転換である。従来の光通信機器は通信キャリアが導入する専用シャーシが中心であったが、GoogleやMicrosoftをはじめとするクラウド企業が自社データセンター同士を結ぶ需要を急速に拡大させた。シスコは2019年に光半導体ベンダーのアケイシア（Acacia Communications）の買収に合意し、2021年3月に買収を完了した。これにより、専用の大型筐体を使わずともルーターやスイッチのポートへ直接装着できる小型の光モジュール（400ZRなど）でWDM伝送を可能にする「IPoDWDM」という潮流が決定づけられたのである。

光伝送機器市場は2025年に前年比10％成長して約160億ドル規模に達している。この成長を牽引しているのは、クラウド事業者によるAIデータセンター向けDCI投資の急増である。光伝送システム全体の売上シェア上位はファーウェイ、シエナ（Ciena）、ノキア、ZTE、シスコの順であり、この5社で市場全体の8割以上を占めている。特にシエナは、AI関連のデータセンター相互接続向け製品の需要拡大を背景に、2026年第1四半期に光関連事業の売上を前年比で約68％伸ばすなど、ノキアと並んで顕著な成長を見せている。一方、ルーターやスイッチのポートへ直接装着するプラグイン型の光モジュール（IPoDWDM ZR/ZR+）の分野では、半導体大手のマーベル（Marvell）とシスコ（アケイシア）の2社が市場をリードしている。ファーウェイは米国の制裁下にありながらも、中国国内の5G-AdvancedおよびAI関連投資を背景に、光伝送システム市場全体では引き続き最大のシェアを維持している。

日本勢では、北米の通信事業者向けで高いシェアを持つ富士通や、国内強者であるNEC（日本電気）が、NTTなどと共に、すべての通信処理を光で行うことを目指す「IOWN（アイオン）構想」や、光と電子回路を一体化するCPO（Co-Packaged Optics）技術の国際標準化を主導すべく、欧米・中国の巨大ベンダーと競い合っている。

400GbE・800GbEとAIネットワーク

生成AIの登場によって、この流れはさらに加速した。

LLMの学習では、膨大な数のGPUを並列に動作させる必要がある。GPUがそれぞれ独立して計算しているのではなく、モデルのパラメータ、activation、gradientなどをGPU間で大量に交換する。そのためGPU間通信が遅ければ、GPUの演算性能を十分に利用できない。

ここで重要になるのが、InfiniBand、RoCE、400GbE、800GbEなどの高速ネットワークである。

さらにサーバー内部ではNVLinkとNVSwitchがGPU同士を接続し、サーバー間ではNIC、RDMA、EthernetまたはInfiniBand、スイッチ、光トランシーバーが接続を担う。

こうしてAIデータセンターは、GPUからNVLink/NVSwitch、NIC/RDMA、Ethernet/InfiniBand、スイッチASIC、光トランシーバー、光ファイバー、光伝送網へと至る多層的な通信システムによって構成されるようになった。

この構造では、ネットワーク性能がAIシステム全体の性能を直接左右する。したがって、通信機器はもはやコンピュータを「つなぐ装置」ではなく、多数のGPUを一つの巨大な分散コンピュータとして動作させるための計算基盤になったのである。

通信機器の歴史の本質

通信機器の進化を俯瞰すると、最初の課題は「信号を遠くへ送ること」であった。電信はこれを解決し、電話はリアルタイム音声通信を実現し、交換機は多数の利用者を一つのネットワークへ収容した。

その後、デジタル化によって通信対象がコンピュータデータへ変化し、パケット交換、EthernetとIPによってコンピュータネットワークが形成された。光ファイバーとWDMは通信容量を飛躍的に拡大し、ルーターとスイッチは膨大な数の通信を効率的に処理するようになった。光通信機器の主役もまた、キャリア向けの専用大型機からクラウド向けの小型プラガブル光モジュールへと移り変わり、ファーウェイ、ノキア、シエナ、シスコ、マーベルといった各社が地政学リスクとAI需要の双方に対応しながら競い合ってきた。移動体通信もまた、アナログ音声からモバイルブロードバンドへと独自の発展を遂げ、固定網と並ぶ通信基盤の柱となった。

さらにデータセンター時代には、NICとRDMAによってネットワークがサーバーのメモリ階層にまで入り込み、SmartNICやDPUによってネットワーク処理そのものがプロセッサへと進化した。

そしてAI時代には、NVLink/NVSwitch、RDMA、InfiniBand、RoCE、高速Ethernet、光トランシーバー、光伝送装置が階層的に結合され、ネットワークそのものが巨大な分散コンピュータの内部構造になっている。

したがって、通信機器の歴史を一貫した流れとして表現するならば、「通信」から「ネットワーク」へ、そして「ネットワーク」から「コンピューティング・ファブリック」へという進化である。電信機や電話交換機から始まった通信機器は、パケット交換、ルーターやスイッチを経て、NIC、RDMA、DPU、光トランシーバー、トランスポンダー、NVLink/NVSwitchまでを含む巨大なインターコネクト体系へと発展してきた。

Mathematics is the language with which God has written the universe.