当今数据中心的布线解决方案

来源：DigiKey
作者：Poornima Apte

就像管道输送天然油气，电缆输送的是数据，而数据就是用于计算的燃料。

数据和通信设备所需的电缆种类取决于各种因素，包括它们传输的流量类型和传输距离。例如，用于数据存储的电缆将流量从计算机传输到存储交换机再传输到存储单元，而网络通信电缆则将数据从计算机传输到网络交换机再传输到路由器。电信流量从基站或电缆盒传输到中心局。每种电缆都需要不同类型的电缆。

距离也很重要——布线可以在很短的距离内进行，可以在同一服务器机架内进行，也可以在大楼的不同机架或房间之间进行。不过，也有在整个校园范围进行布线的需要，并延伸数里。

多年来，由于数据中心的快速发展，布线决策变得越来越重要。

数据中心的兴起

人工智能革命依赖于高速数据中心，因为它们是应用的计算骨干。随着人工智能的爆炸式增长，对数据中心的需求也随之增长。据麦肯锡公司称，仅美国对数据中心的需求每年将增长 10%，至少延续至 2030 年。此外，根据 Dell'Oro 集团的一份报告，仅在 2024 年第二季度，数据中心资本支出就增长了近 50%，主要因为人工智能服务器的需求不断增长。

要满足人们对高速计算的无限需求，仅靠数据中心数量的增长已远远不够。高性能服务器在数据中心内部和数据中心之间通过互联传输信息时，也面临着更好、更快和更高吞吐量的压力。虽然 100 G 网络曾经是黄金标准，但随着 IIoT、云计算和人工智能的发展，400 G 部署现在正变得越来越常规。另一个需要关注的数据中心发展是对降低能耗的呼声越来越高。这意味着数据传输速度需要提高，且要更加节能。

这种对更大、更好、更快和更节能计算的需求对数据中心布线意味着什么？最基本的要求是，电缆传输数据时要快速、低延迟，而且不会发生数据包丢失或耗费过多电力。电缆还需要在不产生过多热量的情况下完成这项工作，因为冷却也需要能量。

虽然数据中心有几十种设备，包括网络、冷却、存储和电源系统，但本文的重点是典型数据中心机架硬件组件的布线。其中可能包括像交通控制器一样的交换机，以及将数据从一个系统转换到另一个系统的收发器。

适合当今数据中心的电缆

大容量通信通常使用三种类型的电缆，如 10 Gbps 或最先进的 400 Gbps。一般的家庭互联网连接速度不到 1 Gbps。

CAT6 电缆：CAT6 电缆使用 RJ45 接头，是计算机网络中传输以太网帧的常用电缆。为了与交换机设备连接，它使用 RJ45 收发器将交换机信号转换成 RJ45 兼容信号，然后再在另一端转换回来。其延迟时间约为 2.6 ns，可传送约 100 米。收发器增加了约 4 W 的功耗。

光纤：光纤常见于视频和音频通信，也可用于网络和数据。它使用光学连接器，需要一个收发器将电能转换成光能，然后再转换回电能。一旦转换为光，光纤的延迟时间约为 0.1 ns，可传送数百米。但是，它非常挑剔；光纤中的玻璃或塑料不喜欢弯曲，如果末端沾上一粒灰尘，容量就会下降。此外，它的成本也很高，尤其是增加了光收发器后，功耗会增加约 4 W。

直连铜缆 (DAC)：DAC 是最简单、最宽松的布线选择。它采用铜导线，最适合短距离应用，如同一机架内的组件。DAC 价格低廉，使用灵活，在连接兼容设备时无需收发器即可使用，但只能使用几米。此外，DAC 不应太靠近电源、大型电池或磁铁，因为它会受到干扰。

DAC 分无源和有源两种。无源 DAC 没有收发器，由于传输是无源的，因此它能原封不动地传输原始信号。没有收发器有助于将功耗降至最低。

有源 DAC 内置收发器，还能补偿潜在的信号损失，因此在数据中心的长距离应用中更为安全。增加收发器等电子元件会稍稍增加有源 DAC 的功耗，通常约为 1 W。

数据中心使用 DAC 的优势

在数据中心，数据从一个数据源传输到另一个数据源所产生的延迟需要尽可能的短。许多对时间要求极高的应用，如仓库中的自主移动机器人 (AMR) 或金融领域的日间交易，都需要在瞬间做出决策。DAC 的最大优势在于它的低延迟性。而 DAC 的这一关键特性就是其简单性的直接结果。它没有任何复杂的数据必须经过的中间组件，因此设计不那么复杂，也更易于维护。

DAC 也是一种经济实惠的布线选择，尤其是无源 DAC，耗电量极低。最大的限制是这些电缆能在不造成太大信号衰减的情况下工作的长度，通常在几米左右。对于长距离数据传输来说，DAC 并不是最有效的，它最适合用于同一机架内或机架之间的短距离连接。其弯曲能力也使之特别适合用于需要连通彼此和通过狭小拐角的密集互连。

3M 9V4 系列 400GQSFP-DD DAC 电缆组件（图 1）采用 3M 双轴电缆技术，打造出了一个灵活、可折叠的高性能解决方案。尤其值得一提的是 QSFP-DD（Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density，四通道小型可插拔双密度）外形尺寸，这是一种硬件标准，有助于实现更快的连接。SFP 表示电缆是可插入网络设备的标准形状和尺寸；"Q" 表示电缆可支持四个数据通道；双密度可使通过相同物理尺寸连接器的数据量增加一倍。


图 1：3M 9V4 系列 400G QSFP-DD DAC 电缆组件对于数据中心同一机架内或机架之间的低延迟短距离连接特别有用。（图片来源：3M）

因此，像 3M 9V4 系列 400 G QSFP-DD 这样的 DAC 电缆是同类产品中带宽最高可达 400 Gbps 的产品，可用于连接服务器、交换机、存储设备和其他高速设备。

数据中心 DAC 的布线设计考虑因素

鉴于无源 DAC 是最经济、最适合数据中心的低延迟设备，因此值得考虑如何将其集成到数据中心基础设施机架中。

需要考虑的几个关键因素包括：

· 与硬件兼容：由于电缆需要连接收发器、交换机、路由器等，因此必须确保所选电缆与现有系统兼容，并能适应未来迭代。3M 9V4 系列 400G QSFP-DD 与大多数现代设备兼容。如果数据中· · 心需要将一个高容量端口拆分成多个低容量连接（如从一个 400 Gbps 连接拆分成 4 个 100 Gbps 或 8 个 50 Gbps 连接），该系列还配有分线电缆组件。
· 保持数据信号：DAC 的设计必须考虑到电缆特别容易受到电磁干扰 (EMI)，尤其是来自电源线和电缆的干扰。因此，DAC 数据线必须与电源线明确分开。
· 便于检修：电缆的位置应便于维修技术人员操作。架空布线通常被视为是更好的接入选择，因为 DAC 可以从房间的屋顶层层接入，而不需要过长或过多的互连线缆。
· 高效通风和冷却：技术堆栈会散发大量热量，因此在管理 DAC 布线时必须考虑到通风方案。这可能会影响设备密度和相关布线要求。
· 可扩展性：技术堆栈不断变化，DAC 布线必须能够适应这种变化。对电缆进行分组并有效地进行标记和捆绑，有助于技术人员对整个组件进行统一管理，而不必逐一进行分类。

结语

随着计算能力的不断发展，为边缘人工智能、更多虚拟化和超融合环境留出了空间，预计对相关硬件设备的需求也会随之发生变化。

未来，机器学习硬件、边缘数据中心和分布式基础设施的使用可能会越来越多。具有高级安全性和可持续性的硬件也指日可待。尽管如此，DAC 仍将是电缆选择类型之一，尤其是在技术机架的短距离互连环境中。其光速般的延迟和总体成本经济性无可匹敌。因此，DAC 将在数据中心及其他领域继续发挥作用。