Rozwiązanie okablowania dla współczesnych ośrodków przetwarzania danych

Podobnie jak rurociągi przesyłają gaz lub ropę, tak kable przesyłają dane, które są paliwem dla systemów przetwarzania danych.

Rodzaje kabli potrzebnych w sprzęcie do przesyłu danych i komunikacji zależą od różnych czynników, w tym rodzaju transportowanego ruchu i odległości przesyłu. Na przykład kable systemów przechowywania danych kierują ruch z komputerów do przełączników magazynowania i do jednostek magazynujących, podczas gdy kable do przesyłu danych w sieci kierują dane z komputerów do przełączników sieciowych i do routerów. Ruch telekomunikacyjny przenosi się z wież komórkowych lub skrzynek kablowych do biur centralnych. W każdym przypadku wymagany jest inny rodzaj kabla.

Odległości również mają znaczenie - okablowanie może przebiegać na bardzo krótkich odcinkach, w obrębie tego samego stelaża serwerowego, bądź pomiędzy różnymi stelażami lub pomieszczeniami w budynku. Jednak inne rodzaje okablowania muszą obejmować cały kampus i biec kilometrami.

Wraz z upływem lat decyzje dotyczące okablowania stają się coraz ważniejsze ze względu na jeden wspólny trend: szybki rozwój ośrodków przetwarzania danych.

Powstanie ośrodków przetwarzania danych

Rewolucja w sztucznej inteligencji opiera się na szybkich ośrodkach przetwarzania danych, które służą jako szkielet obliczeniowy aplikacji. Dynamicznemu rozwojowi sztucznej inteligencji towarzyszy wzrost zapotrzebowania na ośrodki przetwarzania danych. Według firmy McKinsey, w samych Stanach Zjednoczonych popyt na ośrodki przetwarzania danych wzrośnie o 10%, przynajmniej do 2030 r. Ponadto, głównie dzięki rosnącemu popytowi na serwery wykorzystujące sztuczną inteligencję, wydatki kapitałowe na ośrodki przetwarzania danych wzrosły o prawie 50% tylko w drugim kwartale 2024 r., jak wynika z raportu grupy Dell’Oro.

Aby zaspokoić nienasycony popyt na szybkie przetwarzanie danych, sam wzrost liczby ośrodków przetwarzania danych nie wystarczy. Istnieje również presja na lepszą, szybszą i wyższą przepustowość wysokowydajnych serwerów, zarówno do przenoszenia informacji w ośrodkach przetwarzania danych, jak i między nimi za pośrednictwem połączeń. Kiedyś sieci 100G były złotym standardem, jednak wdrożenia sieci 400G stają się teraz coraz bardziej codziennością, a przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), przetwarzanie w chmurze i sztuczna inteligencja (AI) sprzyjają ich wykorzystaniu. Innym zjawiskiem, które należy monitorować w ośrodkach przetwarzania danych, jest rosnąca potrzeba zmniejszenia zużycia energii. Oznacza to, że musi wzrosnąć prędkość przesyłania danych oraz sprawność energetyczna.

Co to oznacza dla większych, lepszych, szybszych i bardziej energooszczędnych systemów obliczeniowych w okablowaniu ośrodków przetwarzania danych? W najbardziej podstawowym przypadku kable muszą szybko przesyłać dane, mieć niską latencję i nie tracić pakietów danych ani nie zużywać zbyt dużej mocy. Kabel również musi wykonywać tę pracę bez generowania nadmiernego ciepła, ponieważ chłodzenie również wymaga energii.

Podczas gdy ośrodek przetwarzania danych posiada dziesiątki rodzajów sprzętu, w tym systemy sieciowe, chłodzące, magazynujące i zasilające, na potrzeby tego artykułu skupimy się na okablowaniu komponentów sprzętowych typowego stelaża w ośrodku przetwarzania danych. Mogą to być przełączniki działające jak kontrolery ruchu oraz nadajniko-odbiorniki, które konwertują dane z jednego systemu na inny.

Kable do współczesnych ośrodków przetwarzania danych

W komunikacji masowej powszechnie stosuje się trzy rodzaje kabli, takie jak kable o przepustowości 10Gbps i najnowocześniejsze kable 400Gbps. Typowe domowe połączenie internetowe ma szybkość poniżej 1Gbps.

Kabel CAT6: powszechnie stosowany w sieciach komputerowych do przenoszenia ramek Ethernet, kabel CAT6 wykorzystuje złącza RJ45. Aby połączyć się ze sprzętem przełączającym, wykorzystuje on nadajniko-odbiornik RJ45 do konwersji z przełącznika na sygnały zgodne z RJ45 i z powrotem na drugim końcu. Jego latencja wynosi około 2,6ns i może on działać na odległość około 100m. Pobór mocy przez nadajniko-odbiornik wynosi około 4W.

Światłowód: powszechnie używane w komunikacji wideo i audio światłowody, znajdują również zastosowanie w sieciach i transmisji danych. Wykorzystują one złącza optyczne i potrzebują nadajniko-odbiorników do konwersji sygnałów elektrycznych na światło, a następnie z powrotem na sygnały elektryczne. Światłowód przesyła światło z latencją około 0,1ns i można go układać na odległości setek metrów. Jest jednak bardzo wymagający - włókno światłowodowe zawiera szkło lub tworzywo sztuczne, które źle znosi zginanie.Nawet drobinka kurzu na jego końcu powoduje spadek pojemności. Ponadto jest drogi, zwłaszcza w przypadku dodawania nadajniko-odbiornika optycznego, który zwiększa pobór mocy o około 4W.

Kabel miedziany podłączany bezpośrednio (DAC): jest najprostszą i najbardziej wyrozumiałą opcją okablowania. Wykonany z miedzianych żył, najlepiej nadaje się do stosowania na niewielkie odległości, np. w przypadku komponentów w tym samym stelażu. Kabel miedziany DAC jest niedrogi, elastyczny i może być używany bez nadajniko-odbiorników podczas podłączania kompatybilnego sprzętu, ale działa tylko na kilka metrów. Ponadto kabel miedziany DAC nie powinien znajdować się zbyt blisko zasilaczy, dużych baterii lub magnesów, ponieważ mogą w nim występować zakłócenia.

Kable miedziane DAC występują w wersjach pasywnych i aktywnych. Pasywny kabel miedziany DAC nie posiada nadajniko-odbiorników, a ponieważ transmisja jest pasywna, przesyła on pierwotny sygnał w niezmienionej postaci. Brak nadajniko-odbiorników pomaga utrzymać pobór mocy na minimalnym poziomie.

Aktywny kabel miedziany DAC ma wbudowane nadajniko-odbiorniki, które kompensują również potencjalną utratę sygnału, co czyni go bezpieczniejszym podczas stosowania na duże odległości w ośrodkach przetwarzania danych. Dodanie elementów elektronicznych, takich jak nadajniko-odbiorniki, minimalnie zwiększa pobór mocy przez aktywny kabel miedziany DAC - zwykle o około 1W.

Zalety kabli miedzianych DAC w ośrodkach przetwarzania danych

W ośrodkach przetwarzania danych latencja - czyli czas potrzebny na przepływ danych z jednego źródła do drugiego - musi być jak najniższa. Wiele zastosowań, w których czas ma znaczenie krytyczne, takich jak autonomiczne roboty mobilne (AMR) w magazynach lub trading w interwałach dziennych w finansach, zależy od decyzji podejmowanych w ułamku sekundy. Najważniejszą zaletą kabla miedzianego DAC jest niska latencja. Ta krytyczna cecha kabla miedzianego DAC wynika bezpośrednio z jego prostoty. Nie ma żadnych skomplikowanych komponentów pośredniczących, przez które muszą przechodzić dane, dzięki czemu projekty są mniej skomplikowane i łatwiejsze w utrzymaniu.

Kabel miedziany DAC jest również niedrogą opcją okablowania. W szczególności wariant pasywny zużywa bardzo mało energii. Największym ograniczeniem jest długość, na której kable te mogą pracować bez nadmiernej degradacji sygnału, zwykle około kilku metrów. Kabel miedziany DAC nie jest najskuteczniejszym rozwiązaniem do transmisji danych na duże odległości, jednak najlepiej sprawdza się w połączeniach na niewielkie odległości w obrębie tego samego stelaża lub pomiędzy stelażami. Możliwość jego zginania sprawia, że jest on szczególnie odpowiedni do wykonywania połączeń o wysokiej gęstości, które muszą się krzyżować lub pokonywać ostre zakręty.

Zespoły kabli miedzianych DAC typu QSFP-DD marki 3M 400G z serii 9V4 (ilustracja 1) wykorzystują technologię kablową 3M Twin Axial, tworząc elastyczne, rozwijalne rozwiązanie o wysokich parametrach działania. Na szczególną uwagę zasługuje standard QSFP-DD (poczwórne moduły wtykowe o małym współczynniku kształtu i podwójnej gęstości), który umożliwia szybsze podłączanie. SFP (Small Form-Factor) oznacza, że kabel podłączany do sprzętu sieciowego ma standardowy kształt i rozmiar. Litera Q (Quad) oznacza, że kabel może obsługiwać cztery kanały danych, a litery DD (Double Density) oznaczają podwójną gęstość, która pozwala na przepływ dwukrotnie większej ilości danych przez złącze o tym samych rozmiarach fizycznych.

Ilustracja 1: zespoły kabli miedzianych DAC z serii 9V4 400G QSFP-DD firmy 3M są szczególnie przydatne w przypadku połączeń o niskiej latencji i bliskiego zasięgu w obrębie tego samego stelaża lub pomiędzy stelażami w ośrodkach przetwarzania danych. (Źródło ilustracji: 3M)

W rezultacie kable miedziane DAC z serii 9V4 400G QSFP-DD firmy 3M są najlepsze w swojej klasie, jeśli chodzi o obsługę przepustowości do 400Gbps w zastosowaniach łączenia serwerów, przełączników, pamięci masowych i innych szybkich urządzeń.

Zagadnienia projektowe dotyczące kabli miedzianych DAC w ośrodkach przetwarzania danych

Biorąc pod uwagę, że pasywny kabel miedziany DAC jest najbardziej ekonomicznym i charakteryzującym się niską latencją rozwiązaniem dla ośrodków przetwarzania danych, warto zastanowić się, w jaki sposób można go zintegrować ze stelażami infrastruktury ośrodka przetwarzania danych.

Kilka kluczowych czynników, które należy wziąć pod uwagę:

• Zgodność ze sprzętem: biorąc pod uwagę, że kable muszą łączyć się z nadajniko-odbiornikami, przełącznikami, routerami i innymi urządzeniami, ważne jest, aby upewnić się, że wybrane elementy są kompatybilne z istniejącymi systemami i będzie można je dostosować do przyszłych iteracji. Seria 9V4 400G QSFP-DD firmy 3M jest zgodna z większością nowoczesnych urządzeń. Jeśli ośrodki przetwarzania danych wymagają rozdziału portu o wysokiej przepustowości na wiele połączeń o niższej przepustowości (np. cztery połączenia 100Gbps lub osiem 50Gbps z jednego 400Gbps), seria zawiera również zespoły kabli rozdzielających.
• Ochrona sygnałów danych: w projekcie kabla miedzianego DAC należy uwzględnić, że kable te są szczególnie podatne na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), zwłaszcza ze sznurów i kabli zasilających. Dlatego kable miedziane DAC używane jako kable danych muszą być dobrze odseparowane od kabli zasilających.
• Łatwy dostęp serwisowy: rozmieszczenie kabli powinno ułatwiać pracę technikom zajmującym się konserwacją. Wykonanie instalacji podsufitowej, w której doprowadzenie kabli miedzianych DAC wykonuje się kaskadowo z sufitu jest zwykle uważane za lepszą opcję, ponieważ kabel nie musi być wówczas zbyt długi ani nadmiernie skręcany w celu wykonania połączeń.
• Skuteczna wentylacja i chłodzenie: stosy technologiczne emitują dużo ciepła, a w zarządzaniu okablowaniem miedzianym DAC należy uwzględnić plany wentylacyjne. Może to mieć wpływ na gęstość urządzeń i związane z tym wymagania dotyczące okablowania.
• Skalowalność: stosy technologiczne się zmieniają, a okablowanie miedziane DAC musi być w stanie dostosować się do takich zmian. Grupowanie kabli oraz efektywne ich etykietowanie i łączenie w wiązkę pomaga technikom zarządzać całymi komponentami łącznie, dzięki czemu nie muszą analizować każdego z nich z osobna.

Podsumowanie

Wraz z ewolucją technologii obliczeniowych, które mają zrobić miejsce dla sztucznej inteligencji brzegowej, szerszej wirtualizacji i środowisk hiperkonwergentnych, należy spodziewać się, że zmieni się również zapotrzebowanie na powiązany sprzęt.

W przyszłości prawdopodobne jest zwiększenie wykorzystania sprzętu do uczenia maszynowego, brzegowych ośrodków przetwarzania danych i infrastruktury rozproszonej. Sprzęt z zaawansowanymi funkcjami zabezpieczeń i zrównoważonego rozwoju również nie jest zbyt odległą przyszłością. Mimo wszystko, kable miedziane DAC prawdopodobnie nadal będą najczęściej wybieranymi kablami, zwłaszcza w przypadku krótkich połączeń w stelażach technicznych. Nie do pobicia jest ich znakomita latencja i ogólna ekonomika kosztów. W rezultacie kabel DAC będzie nadal znajdował zastosowanie w ośrodkach przetwarzania danych i poza nimi.