主動銅纜在AI數(shù)據(jù)中心機架互連中的應用

  引言

  隨著人工智能工作負載的指數(shù)級增長，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、相關帶寬和距離方面，尤其是對于scale-up應用場景。當直連銅纜（DAC）在帶寬和距離方面接近極限時，一種新型纜線——主動銅纜（ACC）正在進入市場，用于數(shù)據(jù)中心機架內(nèi)部以及機架之間的短距離連接。主動銅纜專為長度達2至2.5米的連接而設計，能夠比傳統(tǒng)被動DAC纜線在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心即將部署的200G/lane fabric中傳輸更遠的距離。

  同時，一根1.6T主動銅纜僅消耗2.5瓦的功率，并且可以使用比更長的主動電氣纜線（AEC）或主動光纜（AOC）更少、更簡單的組件來制造。這些特性的組合使主動銅纜在同一機架內(nèi)的服務器到服務器或服務器到交換機連接中，實現(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)主動銅纜的線性均衡器[1]。

  主動銅纜的內(nèi)部技術架構

  主動銅纜有效地將最初為光學領域開發(fā)的技術集成到銅纜中。這個想法是利用光學技術來擴展帶寬、距離和性能，同時利用銅的經(jīng)濟性和可靠性。主動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或其他設備的技術能力的方式。

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

  相比之下，主動電氣纜線在纜線的每一端都集成了數(shù)字信號處理器（DSP），在傳輸和接收期間都工作以維持信號完整性。雖然提供更強的信號處理能力和更長的距離，但主動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米主動電氣纜線。在這個距離下，可以創(chuàng)建跨越七個機架或幾乎完整數(shù)據(jù)中心一行的scale-up系統(tǒng)。

  同時，主動光纜將DSP、跨阻放大器和驅(qū)動器集成到光纖纜線中，距離可達30米，盡管功率預算更高，因為隨著數(shù)據(jù)中心集群規(guī)模的增加，在200G/lane下超過5米需要更長的距離。

  因此，纜線選擇取決于使用場景。纜線選項的多樣性提供了改善總擁有成本和投資回報的能力，這在過去是無法實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)中心開發(fā)人員可以根據(jù)所需的功率、成本和距離選擇機架連接解決方案，因為所有這些銅技術將在scale-up應用中共存。

  圖1：主動銅纜（ACC）、主動電氣纜線（AEC）和主動光纜（AOC、LPO）的架構對比，展示了純模擬解決方案、高性能DSP方案以及光學方案在機架內(nèi)連接中的不同特點。

  擴展數(shù)據(jù)中心的纜線選擇策略

  選擇哪種纜線來擴展數(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)中心將在基礎設施中部署數(shù)百萬條纜線。

  主動銅纜還可以利用交換機來減少信號損耗。32 gauge的主動銅纜通常具有高達45dB的損耗，具體取決于纜線規(guī)格和固定裝置設計。由Marvell CB11208均衡器驅(qū)動的主動銅纜提供高達20dB的均衡。其余部分來自交換機。

  僅將放大器包含在纜線中進一步簡化了纜線設計，這反過來有助于擴大可以參與市場的制造商數(shù)量。通過利用內(nèi)部的模擬和數(shù)字技術，Marvell為數(shù)據(jù)中心機架連接提供了包括主動銅纜、主動電氣纜線和主動光纜的完整解決方案。

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

  互連技術的多樣化發(fā)展時期

  主動銅纜是不斷增長的互連多樣性的最新成員。為了跟上AI集群和通用云基礎設施不斷升級的性能需求，互連公司正在為數(shù)據(jù)基礎設施fabric開創(chuàng)新的產(chǎn)品類別。

  這個想法是為數(shù)據(jù)中心架構師和運營商提供廣泛的解決方案，用于減少停機時間、增加帶寬、降低功耗、提高投資回報率，并將運營的各個方面精細調(diào)整到高度。

  近年來出現(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與存儲器或存儲之間。PCIe retimer依賴于為光學器件開發(fā)的SerDes IP，但通過銅連接傳輸。

  2.傳輸重定時光學（TRO）DSP專為光纜或主動電氣纜線設計，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纜線的對應物。

  3.具有集成TIA和驅(qū)動器的DSP以及具有集成驅(qū)動器和獨立TIA的DSP在特定使用場景中降低功耗。

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

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

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

  圖3：從銅到光學的完整互連生態(tài)系統(tǒng)，隨著性能需求的增長，纜線的多樣性擴展?；ミB解決方案將包括銅和光學，距離從毫米級（連接板上芯片）到英里級（連接遠距離數(shù)據(jù)中心）以適應多種使用場景。

  帶寬增長與纜線距離的權衡關系

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

  在100 Gbit/lane時，被動DAC纜線可以滿足大多數(shù)機架內(nèi)連接需求，主動電氣纜線和主動光纜保留用于更長距離。然而，在200 Gbit/lane時，DAC纜線的有效距離大幅縮短，創(chuàng)造了主動銅纜旨在填補的空白。主動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，使其成為同一機架內(nèi)服務器到服務器和服務器到交換機連接的理想選擇。對于相鄰機架之間的連接或機架內(nèi)的更長距離，主動電氣纜線以稍高的功耗為代價提供必要的距離。主動光纜仍然是跨越多個機架或到達數(shù)據(jù)中心樓層內(nèi)相當距離的連接的首選解決方案。

  展望未來可能以200 Gbit/lane運行并具有擴展距離需求的代際，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設計的主動銅纜配置以及對主動電氣纜線技術的進一步改進，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)的擴展

  主動銅纜的出現(xiàn)只是整個數(shù)據(jù)中心行業(yè)互連多樣性爆發(fā)的一個方面。這個時期可能恰當?shù)乇幻枋鰹榛ミB的寒武紀時代，其特點是快速創(chuàng)新和眾多專業(yè)產(chǎn)品類別的出現(xiàn)，每個類別都針對數(shù)據(jù)中心基礎設施層次結構中的特定使用場景進行了優(yōu)化。

  在服務器內(nèi)部，PCIe retimer在處理單元之間或處理器與存儲器或存儲器件之間提供低延遲連接。這些器件利用最初為光學應用開發(fā)的SerDes知識產(chǎn)權，但將其應用于印刷線路板上以毫米到厘米為單位測量距離的銅連接。傳輸重定時光學DSP代表另一個專業(yè)類別，專為需要在傳輸期間而非接收期間進行信號處理的光纜或主動電氣纜線而設計。這種非對稱方法針對特定使用場景優(yōu)化了功耗。

  DSP集成方面的進一步改進正在產(chǎn)生針對特定場景優(yōu)化的新產(chǎn)品變體。具有集成跨阻放大器和驅(qū)動器的DSP，以及具有集成驅(qū)動器與獨立TIA配對的DSP，在特定應用的功耗和性能方面各有獨特優(yōu)勢。對于園區(qū)級連接，專為1.6 Terabit光收發(fā)器設計的coherent-lite DSP在O波段波長范圍內(nèi)工作，針對高帶寬和低延遲優(yōu)化，距離可達20公里。在另一個極端，采用概率星座整形的長距離相干DSP可實現(xiàn)地理分布式數(shù)據(jù)中心之間的大陸級連接。

  對于未來的AI基礎設施而言，可能最重要的是用于光電共封裝的硅基光電子光引擎，通過將光連接直接集成到服務器封裝中來實現(xiàn)下一代scale-up服務器。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，同時最大化了帶寬密度。

  所有這些創(chuàng)新的總體主題是通過多樣性進行優(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，而是開發(fā)豐富的專業(yè)互連技術組合。每種技術都解決距離、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)中心架構師提供了靈活性，可以設計精確匹配工作負載要求和運營約束的基礎設施，最終能夠更高效地部署AI和其他要求苛刻的應用程序。

  參考文獻

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