數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的銅纜：是時候向前看了嗎?

本文作者：JAMES YOUNG

談到數(shù)據(jù)中心 (DC) 布線，關于光纖和銅纜在接入層爭奪霸主地位的曠日持久的戰(zhàn)斗已經(jīng)有很多報道。無論您站在辯論的哪一邊，不可否認正在加速的變化會影響您的布線決策。

數(shù)據(jù)中心通道速度已從 40 Gbps 迅速增加到 100 GBps，甚至在大型企業(yè)和基于云的數(shù)據(jù)中心達到 400 GBps。

在更強大的 ASIC 的推動下，交換機已成為數(shù)據(jù)中心的主力，因此網(wǎng)絡管理員必須決定如何以最有效的方式從交換機到服務器，突破和提供更高的數(shù)據(jù)容量。

唯一沒有太大改變的是對降低功耗的不懈關注。

在本文中，我們將了解數(shù)據(jù)中心的趨勢和變化如何改變銅纜和光纖之間的平衡，以及它對當今大型企業(yè)和基于云的設施的意義。

今天，光纖用于整個 DC 網(wǎng)絡，但設備分布區(qū)域 (EDA) 中的機柜內(nèi)交換機到服務器連接除外。目前，在櫥柜內(nèi)，銅繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

銅通常被認為便宜且可靠，非常適合短的架頂式交換機連接和小于約 50 GBps 的應用。

然而，也許是時候繼續(xù)前進了。

銅在數(shù)據(jù)中心的消亡由來已久，而且是可以預見的。它的有用距離不斷縮小，復雜性的增加使得銅纜難以與光纖成本的持續(xù)改進競爭。

盡管如此，舊媒體還是成功地堅持了下來。然而，數(shù)據(jù)中心的趨勢——更重要的是，對更快吞吐量和設計靈活性的需求——可能最終標志著數(shù)據(jù)中心雙絞線銅線的終結(jié)。

銅的生存面臨的兩個最大威脅是距離限制和快速增長的電力需求——在一個電力預算非常關鍵的世界里。

隨著速度的提高，通過銅線發(fā)送電信號變得更加復雜。電傳輸速度受到 ASIC 功能的限制，即使是很短的距離也需要更多的功率。

這些問題甚至會影響短距離直接連接電纜 (DAC) 的效用。替代光纖技術(shù)在降低成本、功耗和操作簡便性方面變得引人注目。

隨著交換機容量的增長，銅線的距離問題成為一個明顯的挑戰(zhàn)。

單個 1U 網(wǎng)絡交換機現(xiàn)在支持多個服務器機架——而且，在當今應用程序所需的更高速度下，銅線甚至無法跨越這些更短的距離。

因此，數(shù)據(jù)中心正在擺脫傳統(tǒng)的架頂式設計，并部署更高效的行中或行尾交換機部署和結(jié)構(gòu)化布線設計。

在 10G 以上的速度下，由于設計限制，雙絞線銅纜（例如，UTP/STP）部署實際上已經(jīng)停止。

銅質(zhì)鏈路從鏈路的每一端獲取電力以支持電信號。今天的 10G 銅線收發(fā)器的最大功耗為 3-5 瓦[i]。雖然這比用于 DAC 的收發(fā)器低約 0.5-1.0 W（見下文），但它的功率幾乎是多模光纖收發(fā)器的 10 倍。

在成本抵消產(chǎn)生的額外熱量的因素中，銅的運營成本很容易是光纖的兩倍。銅的功率差異超出了網(wǎng)絡電纜——它同樣適用于交換機內(nèi)部的銅跡線。從頭到尾，這些能量損失加起來。

盡管數(shù)據(jù)中心中仍有一些人仍然提倡使用銅，但證明繼續(xù)使用銅的正當性正在成為一場難以應對的艱苦戰(zhàn)斗?？紤]到這一點，讓我們看看一些替代方案。

有源和無源銅纜 DAC 已介入將服務器連接到交換機。DAC 布線是一種特殊形式的雙絞線。該技術(shù)由屏蔽銅電纜組成，兩端帶有插入式收發(fā)器式連接器。

無源 DAC 利用主機提供的信號，而有源 DAC 使用內(nèi)部電子器件來增強和調(diào)節(jié)電信號。這使電纜能夠在更長的距離上支持更高的速度，但它也消耗更多的功率。

有源和無源 DAC 被認為是廉價的。盡管如此，作為基于銅的介質(zhì)，距離衰減的限制仍然是該技術(shù)未來的重大障礙?？紤]到新開關可以替代多個 TOR 開關（從而節(jié)省大量資金和電力），DAC 可能不是表面上看起來的低成本解決方案。

有源光纜 (AOC) 是有源和無源 DAC 的升級版，帶寬性能高達 400 Gbps。此外，作為一種光纖介質(zhì)，AOC 比銅更輕且更易于處理。

然而，這項技術(shù)有一些嚴重的局限性。

AOC 電纜必須按長度訂購，然后在每次 DC 提高速度或更換開關平臺時更換。每個 AOC 都是一個完整的組件（DAC 也是如此），因此——如果任何組件出現(xiàn)故障——必須更換整個組件。與提供最大靈活性和操作簡便性的光收發(fā)器和結(jié)構(gòu)化布線相比，這是一個缺點。

也許更重要的是，AOC 和 DAC 布線都是點對點解決方案。因此，它們存在于結(jié)構(gòu)化布線網(wǎng)絡之外——使擴展、管理和整體運營效率變得更加困難。

其次，作為固定布線解決方案，AOC 和 DAC 無法支持數(shù)據(jù)中心支持更高容量服務器網(wǎng)絡和實施新的、更高效的服務器行設計所需的靈活性。此外，每次提高速度或更換開關時，都必須更換 AOC 和 DAC。

同時，可插拔光收發(fā)器繼續(xù)改進以利用開關技術(shù)的增強功能。

過去，帶有四個通道的單個收發(fā)器（又名四通道小型可插拔 [QSFP]）使 DC 管理器能夠?qū)⑺膫€服務器連接到單個收發(fā)器。

與基于雙工端口的交換機相比，這導致網(wǎng)絡成本估計降低了 30%（并且可以說功耗降低了 30%）。

較新的交換機每個收發(fā)器連接八臺服務器，成本和功耗降低了一倍。更好的是，當增加結(jié)構(gòu)化布線的靈活性時，整體設計變得可擴展。

為此，IEEE 引入了 P802.3.cm 標準并正在研究 P802.3.db，該標準旨在定義為將服務器連接到交換機而構(gòu)建的收發(fā)器。

仍處于早期階段，共同封裝光學器件 (CPO) 將電光轉(zhuǎn)換引擎移動到更靠近 ASIC 的位置——消除了開關中的銅跡線。

這個想法是消除與開關內(nèi)的短銅鏈路相關的電損耗，以實現(xiàn)更高的帶寬和更低的功耗。

該技術(shù)的支持者認為，這是遷移到下一代平臺和更高速度同時保持可承受的功率預算的最佳方式。他們的目標是從網(wǎng)絡鏈路中移除最后幾英寸的銅線，以實現(xiàn) DC 網(wǎng)絡所需的全光、ASIC 到 ASIC 效率。

這是一個雄心勃勃的目標，需要全行業(yè)的協(xié)作和新標準來確保互操作性。

向800G和1.6T進軍將繼續(xù)；如果該行業(yè)有機會滿足客戶對帶寬、延遲、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化等方面的期望，就必須這樣做。

同時，數(shù)據(jù)中心必須具有靈活性，能夠以運營和財務上有意義的方式從更高容量的交換機中分流和分配流量。

這表明更多的布線和連接解決方案可以支持各種光纖到服務器的應用，例如全光纖結(jié)構(gòu)化布線。

目前，基于IEEE 以太網(wǎng)路線圖 ，16芯光纖基礎設施可以提供一條通向更高速度的干凈路徑，同時有效利用可用帶寬。使用16芯設計的結(jié)構(gòu)化布線還使我們能夠突破容量，因此單個交換機可以支持192臺服務器。

在延遲和成本節(jié)約方面，收益是顯著的。在康普，這是我們從大型企業(yè)和云數(shù)據(jù)中心客戶那里看到和聽到的。他們中的大多數(shù)已經(jīng)達到了一個臨界點，并且正在全力以赴，因為他們看到了超大規(guī)模并意識到即將發(fā)生的事情。

最簡潔的答案是不。對于較小的數(shù)據(jù)中心，將繼續(xù)存在某些低帶寬、短距離的應用，其中銅的低價位超過了其性能限制。

CPO和前面板可插拔收發(fā)器也可能發(fā)揮作用。根本沒有一種萬能的解決方案。

話雖如此，對于想知道是否是時候逐步淘汰銅并準備全部使用光纖的人來說，這里有一些建議。用美國記者和作家DamonRunyon的話來說，“比賽并不總是以迅捷之勢或強者之戰(zhàn)，但它肯定是下注的方式?！?/p>

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