當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的布線解決方案

作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-12-23

就像管道輸送天然油氣，電纜輸送的是數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)就是用于計算的燃料。

數(shù)據(jù)和通信設(shè)備所需的電纜種類取決于各種因素，包括它們傳輸?shù)牧髁款愋秃蛡鬏斁嚯x。例如，用于數(shù)據(jù)存儲的電纜將流量從計算機傳輸?shù)酱鎯?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1392/" target="_blank">交換機再傳輸?shù)酱鎯卧?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/13320/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)通信電纜則將數(shù)據(jù)從計算機傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)交換機再傳輸?shù)铰酚善?。電信流量從基站或電纜盒傳輸?shù)?a target="_blank">中心局。每種電纜都需要不同類型的電纜。

距離也很重要——布線可以在很短的距離內(nèi)進行，可以在同一服務(wù)器機架內(nèi)進行，也可以在大樓的不同機架或房間之間進行。不過，也有在整個校園范圍進行布線的需要，并延伸數(shù)里。

多年來，由于數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，布線決策變得越來越重要。

數(shù)據(jù)中心的興起

人工智能革命依賴于高速數(shù)據(jù)中心，因為它們是應(yīng)用的計算骨干。隨著人工智能的爆炸式增長，對數(shù)據(jù)中心的需求也隨之增長。據(jù)麥肯錫公司稱，僅美國對數(shù)據(jù)中心的需求每年將增長 10%，至少延續(xù)至 2030 年。此外，根據(jù) Dell'Oro 集團的一份報告，僅在 2024 年第二季度，數(shù)據(jù)中心資本支出就增長了近 50%，主要因為人工智能服務(wù)器的需求不斷增長。

要滿足人們對高速計算的無限需求，僅靠數(shù)據(jù)中心數(shù)量的增長已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。高性能服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間通過互聯(lián)傳輸信息時，也面臨著更好、更快和更高吞吐量的壓力。雖然 100 G 網(wǎng)絡(luò)曾經(jīng)是黃金標(biāo)準(zhǔn)，但隨著 IIoT、云計算和人工智能的發(fā)展，400 G 部署現(xiàn)在正變得越來越常規(guī)。另一個需要關(guān)注的數(shù)據(jù)中心發(fā)展是對降低能耗的呼聲越來越高。這意味著數(shù)據(jù)傳輸速度需要提高，且要更加節(jié)能。

這種對更大、更好、更快和更節(jié)能計算的需求對數(shù)據(jù)中心布線意味著什么？最基本的要求是，電纜傳輸數(shù)據(jù)時要快速、低延遲，而且不會發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失或耗費過多電力。電纜還需要在不產(chǎn)生過多熱量的情況下完成這項工作，因為冷卻也需要能量。

雖然數(shù)據(jù)中心有幾十種設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)、冷卻、存儲和電源系統(tǒng)，但本文的重點是典型數(shù)據(jù)中心機架硬件組件的布線。其中可能包括像交通控制器一樣的交換機，以及將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個系統(tǒng)的收發(fā)器。

適合當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的電纜

大容量通信通常使用三種類型的電纜，如 10 Gbps 或最先進的 400 Gbps。一般的家庭互聯(lián)網(wǎng)連接速度不到 1 Gbps。

CAT6 電纜： CAT6 電纜使用 RJ45 接頭，是計算機網(wǎng)絡(luò)中傳輸以太網(wǎng)幀的常用電纜。為了與交換機設(shè)備連接，它使用 RJ45 收發(fā)器將交換機信號轉(zhuǎn)換成 RJ45 兼容信號，然后再在另一端轉(zhuǎn)換回來。其延遲時間約為 2.6 ns，可傳送約 100 米。收發(fā)器增加了約 4 W 的功耗。

光纖： 光纖常見于視頻和音頻通信，也可用于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)。它使用光學(xué)連接器，需要一個收發(fā)器將電能轉(zhuǎn)換成光能，然后再轉(zhuǎn)換回電能。一旦轉(zhuǎn)換為光，光纖的延遲時間約為 0.1 ns，可傳送數(shù)百米。但是，它非常挑剔；光纖中的玻璃或塑料不喜歡彎曲，如果末端沾上一?；覊m，容量就會下降。此外，它的成本也很高，尤其是增加了光收發(fā)器后，功耗會增加約 4 W。

直連銅纜 (DAC)： DAC 是最簡單、最寬松的布線選擇。它采用銅導(dǎo)線，最適合短距離應(yīng)用，如同一機架內(nèi)的組件。DAC 價格低廉，使用靈活，在連接兼容設(shè)備時無需收發(fā)器即可使用，但只能使用幾米。此外，DAC 不應(yīng)太靠近電源、大型電池或磁鐵，因為它會受到干擾。

DAC 分無源和有源兩種。無源 DAC 沒有收發(fā)器，由于傳輸是無源的，因此它能原封不動地傳輸原始信號。沒有收發(fā)器有助于將功耗降至最低。

有源 DAC 內(nèi)置收發(fā)器，還能補償潛在的信號損失，因此在數(shù)據(jù)中心的長距離應(yīng)用中更為安全。增加收發(fā)器等電子元件會稍稍增加有源 DAC 的功耗，通常約為 1 W。

數(shù)據(jù)中心使用 DAC 的優(yōu)勢

在數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)從一個數(shù)據(jù)源傳輸?shù)搅硪粋€數(shù)據(jù)源所產(chǎn)生的延遲需要盡可能的短。許多對時間要求極高的應(yīng)用，如倉庫中的自主移動機器人 (AMR) 或金融領(lǐng)域的日間交易，都需要在瞬間做出決策。DAC 的最大優(yōu)勢在于它的低延遲性。而 DAC 的這一關(guān)鍵特性就是其簡單性的直接結(jié)果。它沒有任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過的中間組件，因此設(shè)計不那么復(fù)雜，也更易于維護。

DAC 也是一種經(jīng)濟實惠的布線選擇，尤其是無源 DAC，耗電量極低。最大的限制是這些電纜能在不造成太大信號衰減的情況下工作的長度，通常在幾米左右。對于長距離數(shù)據(jù)傳輸來說，DAC 并不是最有效的，它最適合用于同一機架內(nèi)或機架之間的短距離連接。其彎曲能力也使之特別適合用于需要連通彼此和通過狹小拐角的密集互連。

[3M]QSFP-DD DAC 電纜組件采用 3M 雙軸電纜技術(shù)，打造出了一個靈活、可折疊的高性能解決方案。尤其值得一提的是 QSFP-DD（Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density，四通道小型可插拔雙密度）外形尺寸，這是一種硬件標(biāo)準(zhǔn)，有助于實現(xiàn)更快的連接。SFP 表示電纜是可插入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)形狀和尺寸；"Q" 表示電纜可支持四個數(shù)據(jù)通道；雙密度可使通過相同物理尺寸連接器的數(shù)據(jù)量增加一倍。

因此，像 3M 9V4 系列 400 G QSFP-DD 這樣的 DAC 電纜是同類產(chǎn)品中帶寬最高可達(dá) 400 Gbps 的產(chǎn)品，可用于連接服務(wù)器、交換機、存儲設(shè)備和其他高速設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心 DAC 的布線設(shè)計考慮因素

鑒于無源 DAC 是最經(jīng)濟、最適合數(shù)據(jù)中心的低延遲設(shè)備，因此值得考慮如何將其集成到數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施機架中。

需要考慮的幾個關(guān)鍵因素包括：

• 與硬件兼容：由于電纜需要連接收發(fā)器、交換機、路由器等，因此必須確保所選電纜與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，并能適應(yīng)未來迭代。3M 9V4 系列 400G QSFP-DD 與大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備兼容。如果數(shù)據(jù)中心需要將一個高容量端口拆分成多個低容量連接（如從一個 400 Gbps 連接拆分成 4 個 100 Gbps 或 8 個 50 Gbps 連接），該系列還配有分線電纜組件。
• 保持?jǐn)?shù)據(jù)信號：DAC 的設(shè)計必須考慮到電纜特別容易受到電磁干擾 (EMI)，尤其是來自電源線和電纜的干擾。因此，DAC 數(shù)據(jù)線必須與電源線明確分開。
• 便于檢修：電纜的位置應(yīng)便于維修技術(shù)人員操作。架空布線通常被視為是更好的接入選擇，因為 DAC 可以從房間的屋頂層層接入，而不需要過長或過多的互連線纜。
• 高效通風(fēng)和冷卻：技術(shù)堆棧會散發(fā)大量熱量，因此在管理 DAC 布線時必須考慮到通風(fēng)方案。這可能會影響設(shè)備密度和相關(guān)布線要求。
• 可擴展性：技術(shù)堆棧不斷變化，DAC 布線必須能夠適應(yīng)這種變化。對電纜進行分組并有效地進行標(biāo)記和捆綁，有助于技術(shù)人員對整個組件進行統(tǒng)一管理，而不必逐一進行分類。

結(jié)語

隨著計算能力的不斷發(fā)展，為邊緣人工智能、更多虛擬化和超融合環(huán)境留出了空間，預(yù)計對相關(guān)硬件設(shè)備的需求也會隨之發(fā)生變化。

未來，機器學(xué)習(xí)硬件、邊緣數(shù)據(jù)中心和分布式基礎(chǔ)設(shè)施的使用可能會越來越多。具有高級安全性和可持續(xù)性的硬件也指日可待。盡管如此，DAC 仍將是電纜選擇類型之一，尤其是在技術(shù)機架的短距離互連環(huán)境中。其光速般的延遲和總體成本經(jīng)濟性無可匹敵。因此，DAC 將在數(shù)據(jù)中心及其他領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮作用。

審核編輯 黃宇