La soluzione di cablaggio per i data center odierni

Mentre le tubazioni trasportano gas o liquidi, i cavi trasportano i dati, il carburante dell'informatica.

I tipi di cavi di cui hanno bisogno le apparecchiature di trasmissione dati e comunicazione dipendono da vari fattori, tra cui il tipo di traffico che trasportano e le distanze che percorrono. Ad esempio, i cavi per l'archiviazione dei dati convogliano il traffico dai computer agli switch fino alle unità di archiviazione, mentre i cavi per il traffico di rete convogliano i dati dai computer agli switch di rete ai router. Il traffico delle telecomunicazioni si sposta dalle torri cellulari o dai decoder via cavo agli uffici centrali. Ognuno richiederà diversi tipi di cavi.

Anche le distanze sono importanti: il cablaggio può correre su una distanza molto breve, all'interno dello stesso rack di server o tra diversi rack o stanze di un edificio. Tuttavia, altri cablaggi devono essere estesi a tutto il campus e percorrere chilometri.

Nel corso degli anni, le decisioni in materia di cablaggio sono diventate sempre più importanti a causa di uno sviluppo generale: la rapida crescita dei data center.

L'ascesa dei data center

La rivoluzione dell'IA si basa su data center ad alta velocità, che fungono da spina dorsale di calcolo per le applicazioni. Con la crescita esplosiva dell'IA, si assiste a una conseguente crescita della domanda di data center. Secondo McKinsey, solo negli Stati Uniti si registrerà un aumento del 10% della domanda di data center, almeno fino al 2030. Inoltre, soprattutto a causa della crescente domanda di server IA, le spese in conto capitale dei data center sono cresciute quasi del 50% solo nel secondo trimestre del 2024, secondo un rapporto di Dell'Oro Group.

Per soddisfare l'insaziabile domanda di elaborazione ad alta velocità, il semplice aumento del numero di data center non è più sufficiente. Anche i server ad alte prestazioni sono sotto pressione per offrire un throughput migliore, più veloce e più elevato, sia per trasportare le informazioni all'interno dei data center che tra di essi attraverso le interconnessioni. Mentre le reti a 100 G erano lo standard di riferimento, le implementazioni a 400 G stanno diventando una routine, con l'IIoT, il cloud computing e l'IA che ne stimolano l'adozione. Un altro sviluppo dei data center da monitorare è la crescente richiesta di ridurre il consumo energetico. Ciò significa che la velocità di trasferimento dei dati deve aumentare ed essere ad alta efficienza energetica.

Per il cablaggio dei data center, cosa rappresenta questa esigenza di un'informatica maggiore, migliore, più veloce e ad alta efficienza energetica? Di base, i cavi devono trasportare i dati in modo rapido, con una bassa latenza e senza perdere pacchetti di dati o consumare troppa energia. Inoltre, il cavo deve svolgere questo compito senza generare troppo calore, poiché anche il raffreddamento richiede energia.

Sebbene un data center disponga di decine e decine di tipi di apparecchiature, tra cui sistemi di rete, di raffreddamento, di archiviazione e di alimentazione, ai fini di questo articolo l'attenzione si concentrerà sul cablaggio dei componenti hardware di un tipico rack per data center. Tra questi vi sono gli interruttori, che fungono da controllore del traffico, e i transceiver, che convertono i dati da un sistema all'altro.

Cavi per i data center odierni

Per le comunicazioni ad alto volume, come la capacità di 10 Gbps o la più moderna a 400 Gbps, si utilizzano comunemente tre tipi di cavi. Una tipica connessione Internet domestica è inferiore a 1 Gbps.

Il cavo CAT6: comunemente utilizzato nelle reti di computer per il trasporto di frame Ethernet, il cavo CAT6 utilizza connettori RJ45. Per collegarsi alle apparecchiature di commutazione, utilizza un transceiver RJ45 che converte i segnali dallo switch a quelli compatibili RJ45 e viceversa. La sua latenza è di circa 2,6 ns e può funzionare su circa 100 metri. Il transceiver aggiunge un consumo energetico pari a circa 4 W.

Fibra ottica: comunemente utilizzata per le comunicazioni video e audio, la fibra ottica trova applicazione anche nelle reti e nei dati. Utilizza connettori ottici e necessita di un transceiver per convertire l'elettricità in luce e poi di nuovo in elettricità. Una volta convertita in luce, la latenza della fibra ottica è di circa 0,1 ns e può percorrere centinaia di metri. Tuttavia, è molto esigente: la fibra ottica contiene vetro o plastica che non ama piegarsi e se l'estremità raccoglie un granello di polvere, la capacità si riduce. Inoltre, è costosa, soprattutto quando si aggiunge il transceiver ottico, che aumenta il consumo energetico di circa 4 W.

Rame ad attacco diretto (DAC): il DAC è l'opzione di cablaggio più semplice e più malleabile. Realizzato con conduttori in rame, è più adatto per applicazioni su brevi distanze, come i componenti all'interno dello stesso rack. Il DAC è economico e flessibile e può essere utilizzato senza transceiver quando si collegano apparecchiature compatibili, ma è adatto solo per pochi metri. Inoltre, il DAC non dovrebbe essere utilizzato troppo vicino ad alimentatori, batterie di grandi dimensioni o magneti, perché potrebbe subire interferenze.

I DAC sono disponibili in versioni passive e attive. Il DAC passivo non dispone di transceiver e, poiché la trasmissione è passiva, trasferisce il segnale originale così com'è. L'assenza di transceiver contribuisce a ridurre al minimo il consumo energetico.

Un DAC attivo è dotato di transceiver integrati che compensano anche la potenziale perdita di segnale, rendendolo una scelta più sicura per le applicazioni su lunga distanza in un data center. L'aggiunta di elementi elettronici come i transceiver aumenta l'utilizzo di energia del DAC attivo, in genere di circa 1 W.

I vantaggi del DAC per i data center

In un data center, la latenza - il tempo necessario ai dati per spostarsi da una fonte all'altra - deve essere la più breve possibile. Molte applicazioni time-critical, come i robot mobili autonomi (AMR) nei magazzini o il day trading nella finanza, si basano tutte su decisioni prese in una frazione di secondo. Il vantaggio più significativo del DAC è la sua bassa latenza. Questa caratteristica fondamentale del DAC è il risultato diretto della sua semplicità. Non ha complessi componenti intermediari attraverso i quali devono passare i dati, rendendo i progetti meno complessi e più facili da mantenere.

Il DAC è anche un'opzione di cablaggio conveniente e il DAC passivo, in particolare, consuma pochissima energia. Il limite maggiore è la lunghezza su cui questi cavi possono operare senza un eccessivo deterioramento del segnale, di solito solo pochi metri. Non essendo il più efficiente per la trasmissione di dati su lunghe distanze, il DAC è più adatto per connessioni a corto raggio all'interno dello stesso rack o tra rack. La sua capacità di piegarsi lo rende particolarmente adatto alle interconnessioni dense che devono passare tra angoli stretti.

I cavi assemblati DAC QSFP-DD 400G serie 9V4 di 3M (Figura 1) utilizzano la tecnologia dei cavi assiali gemelli di 3M per creare una soluzione flessibile, pieghevole e ad alte prestazioni. Particolarmente degno di nota è il fattore di forma QSFP-DD (Quad Small Form-factor Pluggable Double Density), uno standard hardware che facilita connessioni più veloci. SFP significa che il cavo ha una forma e una dimensione standard che si inserisce nelle apparecchiature di rete, "quad" indica i quattro canali di dati che il cavo può supportare e la doppia densità consente di far passare il doppio dei dati attraverso un connettore della stessa dimensione fisica.

Figura 1: I cavi assemblati DAC QSFP-DD 400G serie 9V4 sono particolarmente utili per le connessioni a corto raggio a bassa latenza all'interno dello stesso rack o tra i rack nei data center. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Il risultato è che i cavi DAC come i modelli QSFP-DD 400G serie 9V4 di 3M sono i migliori della categoria, in grado di gestire larghezze di banda fino a 400 Gbps per collegare server, switch, storage e altre apparecchiature ad alta velocità.

Considerazioni sulla progettazione del cablaggio per il DAC nei data center

Dato che il DAC passivo è il più economico e a bassa latenza per i data center, vale la pena considerare come si integra nei rack dell'infrastruttura dei data center.

Alcuni fattori chiave da considerare sono:

• Compatibilità con l'hardware: poiché i cavi devono essere collegati a transceiver, switch, router e altro ancora, è importante assicurarsi di scegliere cavi compatibili con i sistemi esistenti e adattabili alle versioni future. I cavi QSFP-DD 400G serie 9V4 di 3M sono compatibili con la maggior parte delle apparecchiature moderne. Nel caso in cui i data center debbano suddividere una porta ad alta capacità in più connessioni a capacità inferiore (come quattro connessioni da 100 Gbps o otto da 50 Gbps da una da 400 Gbps), la serie è dotata anche di cavi assemblati di breakout.
• Integrità dei segnali di dati: la progettazione del DAC deve tener conto del fatto che i cavi sono particolarmente suscettibili alle interferenze elettromagnetiche (EMI), soprattutto quelle provenienti dai cavi di alimentazione. Pertanto, i cavi dati del DAC devono essere chiaramente separati dai cavi di alimentazione.
• Facile accesso per la manutenzione: il posizionamento dei cavi deve facilitare l'accesso ai tecnici della manutenzione. Il cablaggio aereo, in cui il DAC entra in cascata dal tetto della stanza, è di solito considerato un'opzione migliore per l'accesso, perché il cavo non deve essere troppo lungo o eccessivamente contorto per le interconnessioni.
• Ventilazione e raffreddamento efficienti: gli stack tecnologici emettono molto calore e la ventilazione deve essere considerata nella gestione del cablaggio del DAC. Ciò potrebbe influire sulla densità delle apparecchiature e sui relativi requisiti di cablaggio.
• Scalabilità: gli stack tecnologici cambiano e il cablaggio DAC deve essere in grado di adattarsi a tali cambiamenti. Raggruppare i cavi, etichettarli e fasciarli in modo efficiente aiuta i tecnici a gestire interi gruppi anziché doverli smistare singolarmente.

Conclusione

Con l'evoluzione dell'informatica per fare spazio all'Edge IA, a una maggiore virtualizzazione e agli ambienti iperconvergenti, ci si aspetta che cambino anche le esigenze delle relative apparecchiature hardware.

In futuro, è probabile che si ricorra maggiormente all'hardware per l'apprendimento automatico, ai data center per l'edge e all'infrastruttura distribuita. Anche l'hardware con funzioni avanzate di sicurezza e sostenibilità non è troppo lontano. In tutto questo, il DAC continuerà probabilmente a essere il cavo prescelto, soprattutto per le interconnessioni corte nei rack tecnologici. La sua latenza velocissima e l'economia complessiva dei costi sono imbattibili. Di conseguenza, il DAC continuerà a essere utile nei data center e non solo.