數據中心互連技術(shù)，第三種選擇

代數據中心的選擇，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(lái)數年內助力數據中心 AI 集群的擴展。

未來(lái)幾年，數據中心 AI 加速器集群的擴展將面臨日益復雜的挑戰。系統架構師需要同時(shí)應對三大挑戰：第一，提供更好的性能以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的帶寬需求。第二，在擴大計算能力和復雜性的同時(shí)控制成本。第三，繼續提高能源效率。這三大挑戰讓網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商夜不能寐。

新技術(shù)的出現雖然為創(chuàng )新創(chuàng )造了機遇，但也讓數據中心不堪重負。生成式人工智能和大型語(yǔ)言模型 (LLM) 等新的人工智能和機器學(xué)習工作負載，正在推動(dòng)數據帶寬超越傳統互連，速度迅速翻倍至 800G，并很快將達到 1.6T。

太比特速度的技術(shù)限制

為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求，數據中心依賴(lài)于兩種解決方案：400 千兆和 800 千兆 (400G/800G) 網(wǎng)絡(luò )設備，短距離傳輸采用銅纜連接，長(cháng)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(huì )達到各自的技術(shù)極限。

銅線(xiàn)因其低成本、簡(jiǎn)單性和高可靠性，成為短距離應用的首選互連方案。銅線(xiàn)的局限性在于，由于趨膚效應，通道損耗會(huì )嚴重限制電纜的傳輸范圍，同時(shí)隨著(zhù)傳輸速度的提高，電纜厚度也會(huì )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，不適合在高密度數據中心部署。

向光互連的轉變

對于許多與 AI 相關(guān)的工作負載，超大規模企業(yè)將轉向光互連，例如有源光纜 (AOC)。光互連可以提供長(cháng)達數公里的連接，但由于電光轉換需要額外的組件，例如光學(xué) DSP、跨阻放大器 (TIA)、激光驅動(dòng)器和激光器，因此更加復雜、耗電且成本更高。

這些光纜集成了先進(jìn)的數字信號處理器 (DSP) 和復雜的光學(xué)組件，可高速傳輸和接收光信號。AOC 可以支持比銅纜更長(cháng)的線(xiàn)纜長(cháng)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(huì )隨溫度變化，并且最終必然會(huì )失效。

光學(xué) DSP 電子設備會(huì )顯著(zhù)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(huì )變得非常高昂，其成本最高可達銅纜的 5 倍。同樣的組件還會(huì )顯著(zhù)增加電纜的功耗，從而增加數據中心運營(yíng)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模數據中心運營(yíng)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，又能保持大規模部署的成本效益。于是，第三個(gè)選擇出現了：e-Tube，這是一個(gè)可擴展的多太比特互連平臺，通過(guò)塑料介質(zhì)波導傳輸射頻數據。

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，將電域的太比特數據上變頻至射頻域。天線(xiàn)輻射無(wú)線(xiàn)信號，并通過(guò) e-Tube 核心進(jìn)行傳播。

在另一端，互補的毫米波射頻接收器和天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)信號并將其轉換回電信號。對于通過(guò) ARC 連接的兩個(gè)系統而言，該互連如同一個(gè)電系統。ARC 負責管理電信號到射頻以及射頻到電信號的轉換，使轉換過(guò)程對兩個(gè)連接的系統透明。

圖 2. e-Tube 架構

使用塑料作為電纜介質(zhì)，可以以低成本高效地傳輸數據。

e-Tube 線(xiàn)纜采用常見(jiàn)的低密度聚乙烯 (LDPE) 材料制成，不會(huì )像銅線(xiàn)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 及更高的任何數據速度。用于數據傳輸的低功耗射頻發(fā)射器和接收器 IC 實(shí)現了業(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(mǎn)足了銅纜和光纖互連技術(shù)無(wú)法實(shí)現的帶寬需求。隨著(zhù)數據中心向 1.6T 和 3.2T 速度過(guò)渡，它是機架內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、標準的半導體工藝技術(shù)和成熟的 IC 封裝技術(shù)制造。數十年來(lái)，連接器和線(xiàn)纜的「連接化」一直采用銅雙軸制造技術(shù)進(jìn)行量產(chǎn)。線(xiàn)纜設計符合行業(yè)定義的 MSA 封裝規格，例如 OSFP 和 QSFP-DD，如圖 3 所示。

圖 3. OSFP 有源射頻電纜 (ARC)

這為不同的系統設計提供了靈活性，因為它有助于確保與不同制造商的現有網(wǎng)絡(luò )基礎設施設備的兼容性。

徹底改變計算結構互連

隨著(zhù)數據中心硬件快速發(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(lái)緩解銅纜的限制，其價(jià)格和能源效率遠低于光纖。

基于塑料介質(zhì)的 e-Tube RF 有望徹底改變計算結構互連，它提供獨特的功率效率、更長(cháng)的電纜覆蓋范圍、更低的延遲和成本點(diǎn)組合，可在未來(lái)幾年內擴大數據中心的 AI 集群規模。