數(shù)據(jù)中心互連技術(shù)，第三種選擇

代數(shù)據(jù)中心的選擇，銅纜和光纖互連都面臨局限性。了解第三種方案如何在未來數(shù)年內(nèi)助力數(shù)據(jù)中心 AI 集群的擴展。

未來幾年，數(shù)據(jù)中心 AI 加速器集群的擴展將面臨日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)架構(gòu)師需要同時應(yīng)對三大挑戰(zhàn)：第一，提供更好的性能以滿足不斷增長的帶寬需求。第二，在擴大計算能力和復(fù)雜性的同時控制成本。第三，繼續(xù)提高能源效率。這三大挑戰(zhàn)讓網(wǎng)絡(luò)運營商夜不能寐。

新技術(shù)的出現(xiàn)雖然為創(chuàng)新創(chuàng)造了機遇，但也讓數(shù)據(jù)中心不堪重負(fù)。生成式人工智能和大型語言模型 (LLM) 等新的人工智能和機器學(xué)習(xí)工作負(fù)載，正在推動數(shù)據(jù)帶寬超越傳統(tǒng)互連，速度迅速翻倍至 800G，并很快將達(dá)到 1.6T。

太比特速度的技術(shù)限制

為了滿足日益增長的需求，數(shù)據(jù)中心依賴于兩種解決方案：400 千兆和 800 千兆 (400G/800G) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，短距離傳輸采用銅纜連接，長距離傳輸則采用光纜連接。然而，這兩種技術(shù)在太比特互連速度方面都會達(dá)到各自的技術(shù)極限。

銅線因其低成本、簡單性和高可靠性，成為短距離應(yīng)用的首選互連方案。銅線的局限性在于，由于趨膚效應(yīng)，通道損耗會嚴(yán)重限制電纜的傳輸范圍，同時隨著傳輸速度的提高，電纜厚度也會增加，如圖 1 所示。

圖 1. Twinax 電纜 3m 插入損耗

銅纜不足以支持 1.6T 及以上的網(wǎng)絡(luò)速度。在 T 比特速度下，銅纜太短太粗，不具備可擴展性，不適合在高密度數(shù)據(jù)中心部署。

向光互連的轉(zhuǎn)變

對于許多與 AI 相關(guān)的工作負(fù)載，超大規(guī)模企業(yè)將轉(zhuǎn)向光互連，例如有源光纜 (AOC)。光互連可以提供長達(dá)數(shù)公里的連接，但由于電光轉(zhuǎn)換需要額外的組件，例如光學(xué) DSP、跨阻放大器 (TIA)、激光驅(qū)動器和激光器，因此更加復(fù)雜、耗電且成本更高。

這些光纜集成了先進的數(shù)字信號處理器 (DSP) 和復(fù)雜的光學(xué)組件，可高速傳輸和接收光信號。AOC 可以支持比銅纜更長的線纜長度，而且更薄更輕。雖然這使得它們更易于部署，但光學(xué)技術(shù)本身并不可靠，因為光學(xué)性能會隨溫度變化，并且最終必然會失效。

光學(xué) DSP 電子設(shè)備會顯著增加延遲，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能。添加光學(xué)引擎和 DSP 的成本很快就會變得非常高昂，其成本最高可達(dá)銅纜的 5 倍。同樣的組件還會顯著增加電纜的功耗，從而增加數(shù)據(jù)中心運營的能源需求。

銅纜和光纖之外的第三種選擇

所有這些都使得超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商需要一種解決方案，既能克服銅纜和光纖技術(shù)的局限性，又能保持大規(guī)模部署的成本效益。于是，第三個選擇出現(xiàn)了：e-Tube，這是一個可擴展的多太比特互連平臺，通過塑料介質(zhì)波導(dǎo)傳輸射頻數(shù)據(jù)。

如圖 2 所示，有源射頻電纜 (ARC) 采用 e-Tube 技術(shù)，集成毫米波射頻發(fā)射器，將電域的太比特數(shù)據(jù)上變頻至射頻域。天線輻射無線信號，并通過 e-Tube 核心進行傳播。

在另一端，互補的毫米波射頻接收器和天線接收無線信號并將其轉(zhuǎn)換回電信號。對于通過 ARC 連接的兩個系統(tǒng)而言，該互連如同一個電系統(tǒng)。ARC 負(fù)責(zé)管理電信號到射頻以及射頻到電信號的轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換過程對兩個連接的系統(tǒng)透明。

圖 2. e-Tube 架構(gòu)

使用塑料作為電纜介質(zhì)，可以以低成本高效地傳輸數(shù)據(jù)。

e-Tube 線纜采用常見的低密度聚乙烯 (LDPE) 材料制成，不會像銅線那樣受到高頻損耗的影響，使其成為一種可擴展的互連方案，可用于 56G 至 224G 及更高的任何數(shù)據(jù)速度。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸纳漕l發(fā)射器和接收器 IC 實現(xiàn)了業(yè)界最佳的 3pj/bit 能效，且延遲僅為皮秒級。

更輕、更薄、更低功耗

其結(jié)果是，電纜的覆蓋范圍比銅纜高出 10 倍，重量減輕 5 倍，厚度減少 2 倍，功耗降低 3 倍，延遲降低 1,000 倍，成本降低 3 倍。e-Tube 滿足了銅纜和光纖互連技術(shù)無法實現(xiàn)的帶寬需求。隨著數(shù)據(jù)中心向 1.6T 和 3.2T 速度過渡，它是機架內(nèi)和相鄰機架連接的理想銅纜替代品。

為了加速部署，這項創(chuàng)新的互連技術(shù) e-Tube RF SoC 采用成熟、標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)和成熟的 IC 封裝技術(shù)制造。數(shù)十年來，連接器和線纜的「連接化」一直采用銅雙軸制造技術(shù)進行量產(chǎn)。線纜設(shè)計符合行業(yè)定義的 MSA 封裝規(guī)格，例如 OSFP 和 QSFP-DD，如圖 3 所示。

圖 3. OSFP 有源射頻電纜 (ARC)

這為不同的系統(tǒng)設(shè)計提供了靈活性，因為它有助于確保與不同制造商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的兼容性。

徹底改變計算結(jié)構(gòu)互連

隨著數(shù)據(jù)中心硬件快速發(fā)展以支持 LLM 和生成式 AI 計算需求，需要第三種互連方案來緩解銅纜的限制，其價格和能源效率遠(yuǎn)低于光纖。

基于塑料介質(zhì)的 e-Tube RF 有望徹底改變計算結(jié)構(gòu)互連，它提供獨特的功率效率、更長的電纜覆蓋范圍、更低的延遲和成本點組合，可在未來幾年內(nèi)擴大數(shù)據(jù)中心的 AI 集群規(guī)模。