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数据中心网络中的铜:是时候继续前进了吗?
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数据中心网络中的铜:是时候继续前进了吗?

2022-08-04 17:29:28 来源:连接器世界网 作者:康普数据中心全球总监詹姆斯·杨

【哔哥哔特导读】谈到数据中心 (DC) 布线,关于光纤和铜缆在接入层争夺霸主地位的持久战已有很多报道。无论您站在哪一边,不可否认的是,加速变化会影响您的布线决策。

数据中心通道速度已从40 GBps迅速增加到100 GBps,甚至在大型企业和基于云的数据中心达到400 GBps。在功能更强大的ASIC的推动下,交换机已成为数据中心的主力军,因此网络管理员必须决定如何以最有效的方式从交换机到服务器,突破并提供更高的数据容量。唯一没有太大变化的是对降低功耗的不懈关注。

因此,让我们来看看数据中心的趋势和变化如何改变铜缆和光纤之间的平衡,以及它对当今更大的企业和基于云的设施意味着什么。

数据中心网络中的铜:是时候继续前进了吗?

铜在数据中心网络中的未来?

今天,除了设备分布区域 (EDA) 中的机柜内交换机到服务器连接外,整个数据中心网络都使用光纤。

在橱柜内,铜的使用量继续蓬勃发展。铜通常被认为便宜且可靠,非常适合短的架顶式交换机连接和小于约 50 GBps 的应用。然而,也许是时候继续前进了。

铜会在数据中心的消亡这种说法由来已久,而且是可以预见的。有用距离不断缩小,复杂性的增加,使得铜缆难以与光纤成本的持续改进竞争。尽管如此,旧载体还是成功地坚持了下来。

然而,数据中心的趋势——更重要的是,对更快吞吐量和设计灵活性的需求——可能最终预示着数据中心双绞线铜线的终结。铜的生存面临的两个最大威胁是距离限制和快速增长的电力需求——尤其是在对电力预算非常关键的数据中心世界里。

数据中心网络中的铜:是时候继续前进了吗?

远距离信号丢失

随着速度的提高,通过铜线发送电信号变得更加复杂。电传输速度受到 ASIC 功能的限制,即使是很短的距离也需要更多的功率。

这些问题甚至会影响短距离直接连接电缆 (DAC) 的效用。替代性的光纤技术在降低成本、功耗和操作简便性方面变得引人注目。

随着交换机容量的增长,铜线的距离问题成为一个明显的挑战。单个1U网络交换机现在支持多个服务器机架,并且在当今应用所需的更高速度下,铜线甚至无法跨越这些更短的距离。因此,数据中心正在摆脱传统的架顶式设计,并部署更高效的行中或行尾交换机部署和结构化布线设计。

能量消耗

在超过 10G 的速度下,由于设计限制,双绞线铜线部署实际上已经不被采用。铜质链路从链路的每一端获取电力以支持电信号。今天的 10G 铜线收发器的最大功耗为 3 -5瓦。虽然这比用于 DAC 的收发器低约 0.5-1.0 W,但它的功率几乎是多模光纤收发器的十倍。

由于铜产生的额外热量会抵消其成本优势,因此其运营成本很容易是光纤的两倍。铜的功率差异超出了网络电缆——它同样适用于交换机内部的铜走线。

尽管数据中心中仍有一些人仍然提倡使用铜,但证明其继续使用的合理性变得越来越难。考虑到这一点,让我们看看一些替代方案。

数据中心网络中的铜:是时候继续前进了吗?

直接连接铜 (DAC)

有源和无源铜DAC已介入将服务器连接到交换机。DAC布线是一种特殊形式的双绞线。该技术由屏蔽铜电缆组成,两端带有插入式收发器式连接器。无源DAC利用主机提供的信号,而有源 DAC 使用内部电子器件来增强和调节电信号。这使电缆能够在更长的距离上支持更高的速度,但它也消耗更多的功率。

有源和无源 DAC 被认为是廉价的。尽管如此,作为基于铜的介质,距离衰减的限制仍然是该技术未来的重大障碍。考虑到新开关可以替代多个 TOR 开关(从而节省大量资金和电力),DAC可能不是表面上看起来的低成本解决方案。

有源光缆 (AOC) 是有源和无源 DAC 的升级版,带宽性能高达 400 Gbps。此外,作为一种光纤介质,AOC 比铜更轻且更易于处理。

然而,这项技术有一些严重的局限性。AOC 电缆必须按长度订购,然后每次数据中心提高速度或更换交换平台时需要更换。

每个 AOC 都是一个完整的组件(DAC 也是如此),如果任何组件出现故障,则必须更换整个组件。与提供最大灵活性和操作简便性的光收发器和结构化布线相比,这是一个缺点。

也许更重要的是,AOC 和 DAC 布线都是点对点解决方案。因此,它们存在于结构化布线网络之外,使扩展、管理和整体运营效率变得更加困难。

其次,作为固定布线解决方案,AOC 和 DAC 无法支持数据中心支持更高容量服务器网络和实施新的、更高效的服务器行设计所需的灵活性。此外,每次提高速度或更换开关时,都必须更换 AOC 和 DAC。

可插拔光学元件

同时,可插拔光收发器继续改进以利用开关技术的增强功能。过去,带有四个通道的单个收发器(又名四通道小型可插拔 [QSFP]),使 DC 管理器能够将四个服务器连接到单个收发器。与基于双工端口的交换机相比,这导致网络成本估计降低了 30%(并且可以说功耗降低了 30%)。

较新的交换机每个收发器可连接八台服务器,成本和功耗降低了一倍。更好的是,当增加结构化布线的灵活性时,整体设计变得可扩展。为此,IEEE 引入了 P802.3.cm 标准并正在研究 P802.3.db,该标准旨在定义为将服务器连接到交换机而构建的收发器。

共同封装的光学器件

共同封装光学器件 (CPO) 仍处于早期阶段,它是将电光转换引擎移动到更靠近 ASIC 的位置——消除了开关中的铜走线。这个想法是消除与开关内的短铜链路相关的电损耗,以实现更高的带宽和更低的功耗。

该技术的支持者认为,这是迁移到下一代平台和更高速度同时保持可承受的功率预算的最佳方式。他们的目标是从网络链路中移除最后几英寸的铜线,以实现 DC 网络所需的全光、ASIC 到 ASIC 效率。这是一个雄心勃勃的目标,需要全行业的协作和新标准来确保互操作性。

向 800G 和 1.6T 进军将继续;如果该行业有机会满足客户对带宽、延迟、人工智能、物联网、虚拟化等方面的期望,就必须这样做。

同时,数据中心必须具有灵活性,以运营和财务上有意义的方式从更高容量的交换机中分离和分配流量。这表明更多的布线和连接解决方案可以支持各种光纤到服务器的应用,例如全光纤结构化布线。

目前,根据 IEEE 以太网路线图,16 芯光纤基础设施可以提供一条通向更高速度的干净路径,同时有效利用可用带宽。使用 16 芯设计的结构化布线还使我们能够突破容量,因此单个交换机可以支持 192 台服务器。在延迟和成本节约方面,收益是明显的。在康普,这是我们从大型企业和云数据中心客户那里看到和听到的。他们中的大多数已经达到了一个临界点,并且正在全力以赴,因为他们看到了超大规模并意识到即将发生的事情。

64000美元的问题是:铜最终是否已过时?最简洁的答案是不。对于较小的数据中心,铜将继续存在某些低带宽、短距离的应用,因为铜的低价位超过了其性能限制。CPO和前面板可插拔收发器也可能发挥作用。根本没有一种万能的解决方案。

话虽如此,对于想知道是否是时候逐步淘汰铜并准备全部使用光纤的人来说,这里有一些建议。用小说家 Damon Runyan 的话来说,“跑得快并不一定能赢,强壮的人打架也不一定会赢,但赌他们的胜率会更高。”

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