主動(dòng)銅纜在AI數(shù)據(jù)中心機(jī)架互連中的應(yīng)用

  引言

  隨著人工智能工作負(fù)載的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心連接性面臨著新的需求，特別是在數(shù)據(jù)速率、相關(guān)帶寬和距離方面，尤其是對(duì)于scale-up應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)直連銅纜（DAC）在帶寬和距離方面接近極限時(shí)，一種新型纜線——主動(dòng)銅纜（ACC）正在進(jìn)入市場(chǎng)，用于數(shù)據(jù)中心機(jī)架內(nèi)部以及機(jī)架之間的短距離連接。主動(dòng)銅纜專為長(zhǎng)度達(dá)2至2.5米的連接而設(shè)計(jì)，能夠比傳統(tǒng)被動(dòng)DAC纜線在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心即將部署的200G/lane fabric中傳輸更遠(yuǎn)的距離。

  同時(shí)，一根1.6T主動(dòng)銅纜僅消耗2.5瓦的功率，并且可以使用比更長(zhǎng)的主動(dòng)電氣纜線（AEC）或主動(dòng)光纜（AOC）更少、更簡(jiǎn)單的組件來(lái)制造。這些特性的組合使主動(dòng)銅纜在同一機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器到服務(wù)器或服務(wù)器到交換機(jī)連接中，實(shí)現(xiàn)了帶寬、功耗和成本的最佳平衡。Marvell于2025年10月宣布推出首款用于生產(chǎn)主動(dòng)銅纜的線性均衡器[1]。

  主動(dòng)銅纜的內(nèi)部技術(shù)架構(gòu)

  主動(dòng)銅纜有效地將最初為光學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的技術(shù)集成到銅纜中。這個(gè)想法是利用光學(xué)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展帶寬、距離和性能，同時(shí)利用銅的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。主動(dòng)銅纜的不同之處在于添加到纜線中的組件，以及利用連接的交換機(jī)或其他設(shè)備的技術(shù)能力的方式。

  主動(dòng)銅纜包含一個(gè)均衡器，用于增強(qiáng)從連接另一端接收的信號(hào)。作為模擬器件，主動(dòng)銅纜均衡器與數(shù)字替代方案相比相對(duì)便宜，消耗的功率很少，并且增加的延遲非常小。

  相比之下，主動(dòng)電氣纜線在纜線的每一端都集成了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），在傳輸和接收期間都工作以維持信號(hào)完整性。雖然提供更強(qiáng)的信號(hào)處理能力和更長(zhǎng)的距離，但主動(dòng)電氣纜線也消耗更多功率并增加更多延遲。例如，Marvell與纜線合作伙伴Infraeo展示了一根在800G下工作的9米主動(dòng)電氣纜線。在這個(gè)距離下，可以創(chuàng)建跨越七個(gè)機(jī)架或幾乎完整數(shù)據(jù)中心一行的scale-up系統(tǒng)。

  同時(shí)，主動(dòng)光纜將DSP、跨阻放大器和驅(qū)動(dòng)器集成到光纖纜線中，距離可達(dá)30米，盡管功率預(yù)算更高，因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)中心集群規(guī)模的增加，在200G/lane下超過(guò)5米需要更長(zhǎng)的距離。

  因此，纜線選擇取決于使用場(chǎng)景。纜線選項(xiàng)的多樣性提供了改善總擁有成本和投資回報(bào)的能力，這在過(guò)去是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)中心開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)所需的功率、成本和距離選擇機(jī)架連接解決方案，因?yàn)樗羞@些銅技術(shù)將在scale-up應(yīng)用中共存。

  圖1：主動(dòng)銅纜（ACC）、主動(dòng)電氣纜線（AEC）和主動(dòng)光纜（AOC、LPO）的架構(gòu)對(duì)比，展示了純模擬解決方案、高性能DSP方案以及光學(xué)方案在機(jī)架內(nèi)連接中的不同特點(diǎn)。

  擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心的纜線選擇策略

  選擇哪種纜線來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心？這取決于距離、功率、成本和帶寬。雖然不同類型的纜線可能僅相差幾瓦，但超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心將在基礎(chǔ)設(shè)施中部署數(shù)百萬(wàn)條纜線。

  主動(dòng)銅纜還可以利用交換機(jī)來(lái)減少信號(hào)損耗。32 gauge的主動(dòng)銅纜通常具有高達(dá)45dB的損耗，具體取決于纜線規(guī)格和固定裝置設(shè)計(jì)。由Marvell CB11208均衡器驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)銅纜提供高達(dá)20dB的均衡。其余部分來(lái)自交換機(jī)。

  僅將放大器包含在纜線中進(jìn)一步簡(jiǎn)化了纜線設(shè)計(jì)，這反過(guò)來(lái)有助于擴(kuò)大可以參與市場(chǎng)的制造商數(shù)量。通過(guò)利用內(nèi)部的模擬和數(shù)字技術(shù)，Marvell為數(shù)據(jù)中心機(jī)架連接提供了包括主動(dòng)銅纜、主動(dòng)電氣纜線和主動(dòng)光纜的完整解決方案。

  圖2：隨著帶寬翻倍，有效纜線長(zhǎng)度減少。從100G/lane到200G/lane再到200G/lane擴(kuò)展，展示了DAC、ACC、AEC和AOC在不同距離范圍內(nèi)的應(yīng)用區(qū)間。

  互連技術(shù)的多樣化發(fā)展時(shí)期

  主動(dòng)銅纜是不斷增長(zhǎng)的互連多樣性的最新成員。為了跟上AI集群和通用云基礎(chǔ)設(shè)施不斷升級(jí)的性能需求，互連公司正在為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施fabric開(kāi)創(chuàng)新的產(chǎn)品類別。

  這個(gè)想法是為數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師和運(yùn)營(yíng)商提供廣泛的解決方案，用于減少停機(jī)時(shí)間、增加帶寬、降低功耗、提高投資回報(bào)率，并將運(yùn)營(yíng)的各個(gè)方面精細(xì)調(diào)整到高度。

  近年來(lái)出現(xiàn)的一些新產(chǎn)品類別包括：

  1.PCIe retimer是低延遲連接，通常在同一板上的XPU之間或XPU與存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)之間。PCIe retimer依賴于為光學(xué)器件開(kāi)發(fā)的SerDes IP，但通過(guò)銅連接傳輸。

  2.傳輸重定時(shí)光學(xué)（TRO）DSP專為光纜或主動(dòng)電氣纜線設(shè)計(jì)，在傳輸期間處理數(shù)據(jù)，但不在接收期間處理。在某些方面可以將其視為主動(dòng)纜線的對(duì)應(yīng)物。

  3.具有集成TIA和驅(qū)動(dòng)器的DSP以及具有集成驅(qū)動(dòng)器和獨(dú)立TIA的DSP在特定使用場(chǎng)景中降低功耗。

  4.Coherent-lite DSP專為1.6 Tbps光收發(fā)器模塊設(shè)計(jì)，在O波段工作，針對(duì)園區(qū)數(shù)據(jù)中心互連進(jìn)行了優(yōu)化，距離可達(dá)20公里，具有高帶寬和低延遲。

  5.具有概率星座整形的長(zhǎng)距離相干DSP和模塊用于數(shù)據(jù)中心之間的大陸級(jí)連接。

  6.用于光電共封裝的硅基光電子光引擎實(shí)現(xiàn)下一代scale-up服務(wù)器。

  圖3：從銅到光學(xué)的完整互連生態(tài)系統(tǒng)，隨著性能需求的增長(zhǎng)，纜線的多樣性擴(kuò)展。互連解決方案將包括銅和光學(xué)，距離從毫米級(jí)（連接板上芯片）到英里級(jí)（連接遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)中心）以適應(yīng)多種使用場(chǎng)景。

  帶寬增長(zhǎng)與纜線距離的權(quán)衡關(guān)系

  在數(shù)據(jù)中心連接規(guī)劃中，信號(hào)速率與有效纜線距離之間的關(guān)系是最重要的考慮因素之一。隨著行業(yè)從100 Gbit/lane過(guò)渡到200 Gbit/lane及更高的互連技術(shù)代際，每種纜線類型的最大實(shí)際距離都會(huì)減少。這一趨勢(shì)反映了高速信號(hào)傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，其中?shù)據(jù)速率的增加對(duì)應(yīng)于更高的頻率分量，這些分量更容易受到衰減和失真的影響。

  在100 Gbit/lane時(shí)，被動(dòng)DAC纜線可以滿足大多數(shù)機(jī)架內(nèi)連接需求，主動(dòng)電氣纜線和主動(dòng)光纜保留用于更長(zhǎng)距離。然而，在200 Gbit/lane時(shí)，DAC纜線的有效距離大幅縮短，創(chuàng)造了主動(dòng)銅纜旨在填補(bǔ)的空白。主動(dòng)銅纜可以在這些更高數(shù)據(jù)速率下支持約2至2.5米的連接，使其成為同一機(jī)架內(nèi)服務(wù)器到服務(wù)器和服務(wù)器到交換機(jī)連接的理想選擇。對(duì)于相鄰機(jī)架之間的連接或機(jī)架內(nèi)的更長(zhǎng)距離，主動(dòng)電氣纜線以稍高的功耗為代價(jià)提供必要的距離。主動(dòng)光纜仍然是跨越多個(gè)機(jī)架或到達(dá)數(shù)據(jù)中心樓層內(nèi)相當(dāng)距離的連接的首選解決方案。

  展望未來(lái)可能以200 Gbit/lane運(yùn)行并具有擴(kuò)展距離需求的代際，每種纜線類型的角色繼續(xù)演變。業(yè)界正在探索各種方法，包括帶有Y-cable設(shè)計(jì)的主動(dòng)銅纜配置以及對(duì)主動(dòng)電氣纜線技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，以優(yōu)化數(shù)據(jù)中心連接需求完整范圍內(nèi)性能、功率和成本之間的平衡。

  互連生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)展

  主動(dòng)銅纜的出現(xiàn)只是整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)互連多樣性爆發(fā)的一個(gè)方面。這個(gè)時(shí)期可能恰當(dāng)?shù)乇幻枋鰹榛ミB的寒武紀(jì)時(shí)代，其特點(diǎn)是快速創(chuàng)新和眾多專業(yè)產(chǎn)品類別的出現(xiàn)，每個(gè)類別都針對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施層次結(jié)構(gòu)中的特定使用場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。

  在服務(wù)器內(nèi)部，PCIe retimer在處理單元之間或處理器與存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器件之間提供低延遲連接。這些器件利用最初為光學(xué)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的SerDes知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但將其應(yīng)用于印刷線路板上以毫米到厘米為單位測(cè)量距離的銅連接。傳輸重定時(shí)光學(xué)DSP代表另一個(gè)專業(yè)類別，專為需要在傳輸期間而非接收期間進(jìn)行信號(hào)處理的光纜或主動(dòng)電氣纜線而設(shè)計(jì)。這種非對(duì)稱方法針對(duì)特定使用場(chǎng)景優(yōu)化了功耗。

  DSP集成方面的進(jìn)一步改進(jìn)正在產(chǎn)生針對(duì)特定場(chǎng)景優(yōu)化的新產(chǎn)品變體。具有集成跨阻放大器和驅(qū)動(dòng)器的DSP，以及具有集成驅(qū)動(dòng)器與獨(dú)立TIA配對(duì)的DSP，在特定應(yīng)用的功耗和性能方面各有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)于園區(qū)級(jí)連接，專為1.6 Terabit光收發(fā)器設(shè)計(jì)的coherent-lite DSP在O波段波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，針對(duì)高帶寬和低延遲優(yōu)化，距離可達(dá)20公里。在另一個(gè)極端，采用概率星座整形的長(zhǎng)距離相干DSP可實(shí)現(xiàn)地理分布式數(shù)據(jù)中心之間的大陸級(jí)連接。

  對(duì)于未來(lái)的AI基礎(chǔ)設(shè)施而言，可能最重要的是用于光電共封裝的硅基光電子光引擎，通過(guò)將光連接直接集成到服務(wù)器封裝中來(lái)實(shí)現(xiàn)下一代scale-up服務(wù)器。這種方法最大限度地縮短了光互連與處理元件之間的距離，降低了延遲和功耗，同時(shí)最大化了帶寬密度。

  所有這些創(chuàng)新的總體主題是通過(guò)多樣性進(jìn)行優(yōu)化。該行業(yè)不是試圖創(chuàng)建能夠充分滿足所有需求的通用解決方案，而是開(kāi)發(fā)豐富的專業(yè)互連技術(shù)組合。每種技術(shù)都解決距離、帶寬、延遲、功耗和成本方面的特定需求。這種方法為數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師提供了靈活性，可以設(shè)計(jì)精確匹配工作負(fù)載要求和運(yùn)營(yíng)約束的基礎(chǔ)設(shè)施，最終能夠更高效地部署AI和其他要求苛刻的應(yīng)用程序。

  參考文獻(xiàn)

  [1] N. Bramante, "Active Copper Cables: A New Class of Rack Interconnects for Further Optimizing AI," Marvell Blog, Jan. 12, 2026.