Kabellösningen i dagens datacenter

På samma sätt som rör transporterar gas eller olja, transporterar kablar information, bränslet för databehandling.

Vilka typer av kablar som data- och kommunikationsutrustning behöver beror på olika faktorer, bland annat vilken typ av trafik de transporterar och hur långa avstånd som ska hanteras. Exempelvis leder kablar för datalagring trafik från datorer till switchar till lagringsenheter, medan kablar för nätverkstrafik leder data från datorer till nätverksswitchar till routrar. Telekommunikationstrafiken rör sig från mobilmaster eller kabelboxar till centrala kontor. Alla kräver olika typer av kabel.

Avstånd har också betydelse - kablar kan dras över mycket korta avstånd, inom samma serverstativ eller mellan olika stativ eller rum i en byggnad. Andra kablar måste dock omfatta hela anläggningar och löper över flera kilometer.

Under årens lopp har beslut om kabeldragning blivit allt viktigare till följd av en övergripande utveckling: den snabba tillväxten av datacenter.

Framväxten av datacenter

AI-revolutionen bygger på datacenter med hög hastighet, som bildar ryggraden för databehandling i tillämpningar. I och med den explosionsartade tillväxten av AI ökar även efterfrågan på datacenter. Enbart i USA kommer efterfrågan på datacenter att öka med 10 %, åtminstone fram till 2030, enligt McKinsey. Dessutom ökade kapitalutgifterna för datacenter, främst på grund av den växande efterfrågan från AI-servrar, med nästan 50 % bara under andra kvartalet 2024, enligt en rapport från Dell'Oro Group.

För att klara det omättliga behovet av beräkningskraft med hög hastighet räcker det inte längre med att bara öka antalet datacenter. Det krävs även bättre, snabbare och högre genomströmning från högeffektiva servrar, både för att överföra information inom datacenter och mellan dem via sammankopplingar. Medan 100 G-nätverk tidigare var den gyllene standarden, blir distributioner med 400 G nu allt vanligare, med IIoT, molnbaserad databehandling och AI som drivkrafter. En annan utveckling inom datacenter som bör bevakas är den växande efterfrågan på lägre energiförbrukning. Det innebär att dataöverföringshastigheten måste öka och bli mer energieffektiv.

Vad innebär detta behov av större, bättre, snabbare och mer energieffektiva datorer för kablage i datacenter? I sin enklaste form måste kablar transportera data snabbt, ha låg latens och göra det utan att förlora datapaket eller sluka för mycket ström. Kabeln måste även göra detta jobb utan att generera för mycket värme, eftersom kylning också kräver energi.

Ett datacenter har dussintals olika typer av utrustning, inklusive nätverks-, kyl-, lagrings- och kraftsystem, men i den här artikeln ligger fokus på kabeldragning till hårdvarukomponenterna i ett typiskt stativ i ett datacenter. Det kan handla om switchar, som fungerar som trafikledare, och transceivrar, som omvandlar data från ett system till ett annat.

Kablar i dagens datacenter

Tre typer av kablar används vanligtvis för kommunikation med stora volymer, t.ex. en kapacitet på 10 Gbit/s eller den modernaste, 400 Gbit/s. En typisk internetanslutning i hemmet har en kapacitet på mindre än 1 Gbit/s.

CAT6-kabel: Kabeln är vanlig i datornätverk för att transportera Ethernet-ramar och använder RJ45-kontakter. För att ansluta till switchar använder den en RJ45-transceiver för att konvertera från switchen till RJ45-kompatibla signaler och tillbaka igen i andra änden. Latenstiden är ca 2,6 ns och den kan användas för ca 100 m. Transceivern har en effektförbrukning på ca 4 W.

Optisk fiber: Optisk fiber används ofta för kommunikation av video och ljud och har även tillämpningar inom nätverk och data. Den har optiska kontaktdon och behöver en transceiver för att omvandla elektricitet till ljus och sedan tillbaka till elektricitet. När omvandling har skett till ljus är latensen cirka 0,1 ns, och den kan användas över hundratals meter. Men den är väldigt känslig; den optiska fibern innehåller glas eller plast som inte bör böjas, och om änden får en dammfläck sjunker kapaciteten. Den är dessutom dyr, i synnerhet när man lägger till den optiska transceivern, som ökar effektförbrukningen med cirka 4 W.

Direktansluten koppar (DAC): Direktansluten kopparkabel är det enklaste och mest förlåtande alternativet vid kabelförläggning. Den är tillverkad med kopparkablar och passar bäst i tillämpningar med korta avstånd, som t.ex. komponenter i samma rack. Direktansluten kopparkabel är billig och flexibel och kan användas utan transceiver vid anslutning av kompatibel utrustning, men den fungerar bara bra på några meters avstånd. Direktansluten kopparkabel bör inte heller placeras för nära nätaggregat, stora batterier eller magneter eftersom den kan drabbas av störningar.

Direktansluten kopparkabel finns i passiva och aktiva varianter. Den passiva direktanslutna kopparkabeln har inga transceivrar, och eftersom överföringen är passiv överförs originalsignalen som den är. Avsaknaden av transceivrar bidrar till att hålla effektförbrukningen nere till ett minimum.

En aktiv direktansluten kopparkabel har invävda transceivrar som även kompenserar för eventuell signalförlust, vilket gör den till ett säkrare alternativ i tillämpningar med långa avstånd i ett datacenter. När elektroniska element som transceivers läggs till ökar den aktiva direktanslutna kopparkabelns effektförbrukning något, normalt med ca 1 W.

Fördelarna med direktansluten koppar i datacenter

I ett datacenter måste latensen - den tid det tar för information att förflyttas från en källa till en annan - vara så kort som möjligt. Många tidskritiska tillämpningar, som t.ex. autonoma mobila robotar (AMR) i lagerlokaler eller snabb börshandel inom finanssektorn, bygger på beslut som fattas på bråkdelen av en sekund. Den direktanslutna kopparkabelns största fördel är att den har så låg latenstid. Denna viktiga egenskap hos den direktanslutna kopparkabeln är ett direkt resultat av dess enkelhet. Den har inga komplexa mellanliggande komponenter som informationen måste passera genom, vilket gör designen mindre komplex och lättare att underhålla.

Den direktanslutna kopparkabeln är även ett prisvärt alternativ vid kabelförläggning, och i synnerhet den passiva direktanslutna kopparkabeln förbrukar väldigt lite ström. Den största begränsningen är den längd som dessa kablar kan arbeta över utan alltför stor signalförsämring, vanligtvis cirka några meter. Direkansluten kopparkabel är inte den mest effektiva metoden för dataöverföring på långa avstånd, utan lämpar sig bäst för anslutningar med korta avstånd inom samma stativ eller mellan stativ. Dess böjningsförmåga gör att den passar särskilt bra i täta sammankopplingar som måste passera mellan varandra och runt snäva hörn.

Färdiga direktanslutna kopparkablar QSFP-DD i serien9V4 400G från 3M (figur 1) använder 3M:s dubbelaxiella kabelteknik för att skapa en flexibel, böjbar lösning med hög prestanda. Särskilt anmärkningsvärt är formfaktorn QSFP-DD (Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density), en hårdvarustandard som möjliggör snabbare anslutningar. SFP betyder att kabeln har en standardiserad form och storlek som kan anslutas till nätverksutrustning; "quad" anger de fyra datakanaler som kabeln kan stödja; och double density gör att dubbelt så mycket data kan flöda genom ett kontaktdon med samma fysiska storlek.

Figur 1: Färdigmonterade kopparkablar QSFP-DD i serien 9V 400 G från 3M är särskilt användbara för anslutningar med korta avstånd och låg latens inom samma stativ eller mellan stativ i datacenter. (Bildkälla: 3M)

Resultatet är att direktanslutna kopparkablar QSFP-DD 400 G som serien 9V4 från 3M är de bästa i klassen för att hantera bandbredder på upp till 400 Gbit/s vid anslutning av servrar, switchar, lagring och annan utrustning med hög hastighet.

Överväganden vid design av direktansluten kopparkabel i datacenter

Med tanke på att den passiva direktanslutna kopparkabeln är den mest ekonomiska lösningen med kortast latens för datacenter är det värt att fundera på hur den kan integreras stativ för infrastruktur i datacenter.

Några viktiga faktorer att ta hänsyn till är följande:

• Kompatibilitet med hårdvara: Eftersom kablar måste anslutas till transceivrar, switchar, routrar med mera är det viktigt att se till att urvalet är kompatibelt med befintliga system och kan anpassas till framtida versioner. 400G QSFP-DD i serien 9V4 från 3M är kompatibel med de flesta moderna utrustningar. Om datacenter behöver dela upp en port med hög kapacitet i flera anslutningar med lägre kapacitet (t.ex. fyra anslutningar med 100 Gbit/s eller åtta anslutningar med 50 Gbit/s från en port med 400 Gbit/s), finns serien också som breakout-kablar.
• Bevara datasignaler: Vid konstruktionen av direktansluten kopparkabel måste man ta hänsyn till att kablarna är extra känsliga för elektromagnetiska störningar (EMI), i synnerhet från strömkablar. Därför måste direktanslutna kopparkablar vara tydligt separerade från motsvarande strömkablar.
• Enkel åtkomst vid service: Kablarna måste vara placerade så att de är lätt åtkomliga för underhållstekniker. Kabeldragning ovanför taket, där direktansluten kopparkabel skulle spridas från rummets tak, anses vanligtvis vara ett bättre alternativ för åtkomst eftersom kabeln inte behöver vara allt för lång eller vriden för sammankopplingarna.
• Effektiv ventilation och kylning: Staplar med teknik avger mycket värme, och ventilation måste finnas med i beräkningen vid hantering av direktanslutet kopparkablage. Det kan påverka utrustningens täthet och relaterade kabelförläggningskrav.
• Skalbarhet: Staplar med teknik förändras och direktanslutna kopparkablage måste kunna anpassas till sådana förändringar. Genom att gruppera kablar och märka och samla dessa på ett effektivt sätt kan tekniker hantera hela komponenter i grupper i stället för att behöva sortera ut varje kabel för sig.

Sammanfattning

I takt med att databehandlingen utvecklas för att ge plats åt AI i molnkanten, mer virtualisering och hyperkonvergerade miljöer, kommer även behoven av relaterad hårdvaruutrustning att förändras.

I framtiden är det troligt att hårdvara för maskininlärning, datacenter i molnkanten och distribuerad infrastruktur kommer att användas i större utsträckning. Hårdvara med avancerade säkerhets- och hållbarhetsfunktioner är inte heller alltför långt borta. Trots allt kommer direktansluten kopparkabel sannolikt att fortsätta att vara den kabel som väljs, särskilt vid korta sammankopplingar i tekniska stativ. Dess extremt snabba latens och generella kostnadseffektivitet är oslagbar. Det medför att direktanslutna kopparkablar kommer att fortsätta användas i datacenter och övrigt.