AI助力高速線纜卷向下一代速率

AI 計算帶來的數(shù)據中心高速線纜需求

隨著數(shù)據傳輸需求的不斷增加，高速互連技術變得越來越重要。目前在業(yè)界引起廣泛關注的超大規(guī)模AI數(shù)據中心就離不開各類高速線纜。數(shù)據中心400G和800G速率成為主流，1.6T升級趨勢明確，目前主用于通信領域的SerDes速率在56G和112G，在即將到來的224G時代，數(shù)據中心通信單端口速率將基于4通道達到800G，8通道達到1.6T，成本有望大幅下降。與之對應的銅連接單通道速率也向著更高的112Gbps和224Gbps演進。預計到2028年，高速線纜的市場總量將超過28億美金。由于AI驅動的需求，未來銅纜（DAC）的數(shù)量會非常強勁，甚至可能超過AOC（有源光纜）。

圖1和2 高速線纜市場預測

*AOC/DAC/AEC為高速線纜類型

下一代224G 技術

為了滿足 AI 對海量計算能力和存儲容量的需求，超大型企業(yè)必須考慮連接計算資源，并開創(chuàng)出專用生成式 AI數(shù)據中心的新時代。這種面向未來的想法直接導致了 224 Gbps解決方案的開發(fā)。224G技術于兩年前開始開發(fā)，推動了半導體和互連領域的技術進步，成為支持生成式 AI革命的基礎技術之一。

盡管關于224 Gbps傳輸技術的研究已經展開，工作組也已經成立，但目前還沒有發(fā)布任何標準。一個研究方向是調制方式——是繼續(xù)使用 PAM4調制還是轉到更高階的方案，譬如 PAM6（每符號約 2.6 比特）、 PAM8（每符號 3 比特）乃至 PAM16（每符號 4 比特）。其他可能的方法包括離散多音（DMT）或部分響應PAM4調制。

圖 3.  224 Gbps 以上的電信號

PAM4調制的優(yōu)勢

PAM是什么意思？

PAM（Pulse Amplitude Modulation) 脈沖幅度調制信號是下一代數(shù)據中心做高速信號互連的一種熱門信號傳輸技術，可以廣泛應用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。脈沖幅度調制是一種在物理層使用的多電平信號方案，允許通過改變電壓脈沖的幅度來每時鐘周期傳輸多個比特。結果是數(shù)據速率增加。PAM4調制（四電平脈沖幅度調制）使用四個電壓級別每時鐘信號傳輸 2 比特，相比傳統(tǒng)的無歸零 (NRZ) 信號，數(shù)據速率翻倍。

高速接口的路線圖IEEE以太網已經在400G和800G以太網中使用PAM4調制方案。還可以看到其他技術如計算機串行總線（包括 PCIe 6、7 和 USB4 V2）將利用脈沖幅度調制技術, 內存技術也將加入PAM調制的潮流。

繼續(xù)使用PAM4調制的優(yōu)勢在于，業(yè)界已經對這項技術開展了大量的研究，而其劣勢則在于這種調制方式要求整個鏈路具有相對較大的器件帶寬。224 Gbps PAM4 的波特率為112 GBd，因此整個系統(tǒng)的帶寬（包括線纜、連接器、調制器、檢波器、ADC 和 DAC）必須為 84GHz 左右，生產中測試頻率至少需要達到 56GHz（Nyquist頻率）。

高速線纜測試挑戰(zhàn)

高速線纜在數(shù)據中心的應用

數(shù)據中心是現(xiàn)代信息社會的神經中樞，承載著海量數(shù)據的快速處理和安全存儲。在這樣的背景下，高速線纜在數(shù)據中心的應用顯得尤為關鍵。它們作為數(shù)據傳輸?shù)臉蛄海_保了服務器、存儲設備以及其他網絡設備之間的高速、穩(wěn)定連接。通過使用高速線纜，數(shù)據中心能夠實現(xiàn)高效的數(shù)據交換，滿足日益增長的數(shù)據處理需求。下面將詳細介紹高速線纜在數(shù)據中心的應用。

數(shù)據中心典型架構

大型數(shù)據中心是光互連技術和創(chuàng)新增長最快的市場——由于機器對機器通信快速增長，70% 的互聯(lián)網流量發(fā)生在數(shù)據中心內部。圖4展示了基于 CLOS 架構（也稱為葉脊）的典型數(shù)據中心網絡結構。

圖 4. 典型超大規(guī)模數(shù)據中心的網絡架構

數(shù)據中心內部網絡從下到上通常分為三到四層。服務器到核心網的各層級之間存在各種互連，它們的長度短則幾米，長則數(shù)千米，因此需要采用不同的數(shù)據傳輸技術和接口標準。

服務器機柜/機架頂部（TOR）交換機 - 最下面一層的服務器機架與機柜頂部的 TOR 交換機相連。當今的數(shù)據中心通常部署 25G-40G 網絡，其中部分人工智能（AI）應用采用 100G-200G 速度。連接要么位于機柜內部，要么是在相鄰的機柜之間，其距離通常不超過 5米。目前使用的典型接口技術包括直連銅纜（DAC）和有源光纜（AOC）。隨著速度向著 400G 和 800G 升級，DAC的數(shù)據傳輸距離太短，需要改用有源電纜（AEC）。

TOR交換機到葉交換機 - 第二層互連是 TOR交換機與葉交換機之間的連接。這種互連的傳輸距離高達約 50 米。

葉到脊 - 葉到脊連接的連接距離高達 500 米，可以在單個園區(qū)或是相鄰的多個園區(qū)中使用。這種數(shù)據傳輸技術連接采用的接口速率與 TOR交換機到葉交換機連接類似，在數(shù)據中心，400G交換機是主流。

脊到核心網 - 當傳輸距離進一步增加到2千米時，用戶開始考慮光纖成本，因此通常會采用波分復用技術在一根光纖上通過不同的波長光信號發(fā)送數(shù)據，目前使用的模塊包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4 和 400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。

數(shù)據中心互連（DCI） - 相鄰的幾個數(shù)據中心通常采用這種數(shù)據傳輸方式來建立連接，從而實現(xiàn)負載平衡或災難恢復備份。傳輸距離可能從幾十千米到一百千米不等。更長距離的傳輸采用的是密集波分復用技術，并在近年用相干通信替代了直接檢測技術。多年以來，電信運營商在遠距離（數(shù)百千米）應用中部署的是 100G 相干技術。他們也在研究如何提高到 200、400、800G 技術的速度。DCI 的傳輸距離并不像電信應用那么遠，主要是點對點傳輸，因此可以使用外形和功耗都比較小的可插拔模塊（如 400G-ZR）來進行相干傳輸。

高速線纜是什么？

高速線纜是一種專門設計用于高速數(shù)據傳輸?shù)木€纜，通常具有較高的傳輸速率和帶寬。?高速線纜在數(shù)據中心、云計算、大數(shù)據分析等領域有廣泛應用，能夠支持高速數(shù)據傳輸和大規(guī)模數(shù)據處理的需求。與普通線纜相比，高速線纜在材料和結構上有所不同，通常采用更先進的材料和技術，以確保信號的穩(wěn)定傳輸和抗干擾性能。此外，高速線纜還具有較低的延遲和較高的可靠性，能夠滿足現(xiàn)代高速網絡和計算環(huán)境的需求。

圖 5. 數(shù)據中心高速線纜圖

高速線纜特點

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高密度（多端口）：高速數(shù)據線纜通常使用差分結構，一個線束通常包含多對（Lane）線纜，這就需要測試儀表有更多的測試端口數(shù)。

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高速：隨著224Gbps速率需求的爆發(fā)式增長，高速線纜必須支持更高的數(shù)據傳輸速率。

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高頻：高頻線纜測試則涉及56GHz的生產測試和84GHz的研發(fā)測試。

想要測試這樣的高速線纜，核心要求有三個：精度，穩(wěn)定性，效率。同時高速線纜測試參數(shù)的復雜度也在提高，包括差分S參數(shù)（如插損、回損、串擾）、插入損耗差異（ILD）和集成串擾噪聲（ICN）等。

圖6.用于數(shù)據中心的高速線纜舉例

在現(xiàn)代數(shù)據中心中，DAC（Direct Attach Cable）線纜和AOC（Active Optical Cable）線纜是兩種常見且重要的傳輸線纜類型。雖然它們外觀相似，但在應用場景、性能和成本上卻有著顯著差異。

DAC高速線纜是什么？

DAC高速線纜（Direct Attach Cable）一般譯為直接電纜或直連銅纜，通常是以固定長度采購、兩端帶有固定接頭的線纜組件，不可更換端口，模塊頭和銅纜不能分離。

DAC 高速線纜在數(shù)據中心的應用DAC高速線纜是一種用于在數(shù)據中心內連接服務器、存儲設備和網絡設備的高速電纜。它具有低延遲、高帶寬和低成本等優(yōu)點，因此在數(shù)據中心得到了廣泛的應用。DAC 高速線纜通常用于短距離的數(shù)據傳輸，例如在服務器機架內部或相鄰的機架之間。它可以替代傳統(tǒng)的光纖電纜，提供更高的帶寬和更低的延遲，從而提高數(shù)據中心的性能和效率。DAC 高速線纜還可以用于連接存儲設備，例如 SAN（存儲區(qū)域網絡）和 NAS（網絡附加存儲）。它可以提供更高的傳輸速度和更低的延遲，從而提高存儲設備的性能和可靠性。

高速傳輸是DAC高速線纜的最大優(yōu)勢之一。它支持高達100Gbps的數(shù)據傳輸速率，比傳統(tǒng)的銅纜快得多。這使得它能夠滿足數(shù)據中心對高速數(shù)據傳輸?shù)男枨?，提高?shù)據中心的效率和性能。

DAC高速線纜的優(yōu)勢是高性價比、高效能、高速率、高復合以及低損耗，主要包括以下四點：

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高性能：適用于數(shù)據中心的短距離布線，使用范圍廣，集成方案交換能力強。

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節(jié)能環(huán)保：高速線纜內部材質是銅芯，銅纜的自然散熱效果好，節(jié)能環(huán)保。

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低功耗：高速線纜功耗低。由于無源電纜不需要電源；有源電纜耗電量一般在440mW左右。

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低成本：銅纜價格與光纖相比要低得多，使用高速線纜能夠大大降低整個數(shù)據中心的布線成本。

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支持熱插拔：支持熱插拔功能，可以在設備運行時進行插拔操作，不需要關閉設備，提高了數(shù)據中心的靈活性和可擴展性。

圖7. DAC高速線纜圖片

AOC線纜是什么？

AOC線纜是（Active Optical Cables）有源光纜的簡稱，是指通信過程中需要借助外部能源，將電信號轉換成光信號，或將光信號轉換成電信號的通信線纜，光纜兩端的光收發(fā)器提供光電轉換以及光傳輸功能。AOC線纜的優(yōu)勢：

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帶寬更大：不需要設備升級，具有高達40Gbps的吞吐量。

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輕巧：比高速線纜輕巧很多。

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電磁干擾度低：由于光纖是一種電介質，所以不容易受到電磁干擾的影響。

圖8. AOC線纜圖片

DAC線纜和AOC線纜區(qū)別是什么？

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傳輸介質不同 - DAC線纜使用銅纜傳輸電信號，而AOC線纜則使用光纖傳輸光信號。

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功耗和傳輸距離不同 - AOC線纜功耗較高，但支持更遠的傳輸距離（可達100米）；DAC線纜功耗低，適合短距離傳輸（通常不超過10米）。

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應用場景不同 - DAC線纜常用于同一機柜內的設備互聯(lián)，而AOC線纜則適用于不同機柜之間的長距離高速互聯(lián)。

選擇DAC線纜或AOC線纜？

在選擇使用DAC線纜或AOC線纜時，需要根據具體應用場景、性能要求和成本預算進行判斷。DAC線纜因其低成本和低功耗，成為短距離互聯(lián)的首選。而AOC線纜則憑借其長距離傳輸和抗電磁干擾的優(yōu)勢，廣泛應用于需要高速數(shù)據傳輸?shù)膱龊稀?/p>

不論是DAC線纜還是AOC線纜，在測試過程中都有不同的側重點：

DAC線纜測試

DAC線纜測試主要關注頻域參數(shù)（如S參數(shù)）、時域參數(shù)（TDR/TDT）以及多端口串擾評估。是德科技的矢量網絡分析儀（VNA）配合測試軟件解決方案能夠幫助您實現(xiàn)全面的多端口測試，并通過眼圖分析功能評估抖動指標。

AOC線纜測試

因AOC線纜包含多個有源器件，如Retimer、CDR、O/E等，因此需采用時域響應激勵法，模擬真實傳輸環(huán)境下的信號傳輸狀況，并進行抖動、誤碼率等測試。

Keysight高速線纜測試解決方案

在數(shù)據中心邁向800G、1.6T的時代，選擇合適的傳輸線纜和連接器至關重要。是德科技提供的全面測試解決方案，從物理層到協(xié)議層，幫助客戶應對不斷升級的測試挑戰(zhàn)。無論您是在考慮DAC還是AOC，我們都能為您提供最合適的解決方案。

在高速線纜測試中，Keysight的解決方案結合了多種設計和測試工具，這些工具在高速數(shù)據傳輸中起著至關重要的作用。

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首先，矢量網絡分析儀（VNA）是該方案的核心設備之一。VNA包括PXI 和臺式兩種類型，主要用于測量S參數(shù)、插損、阻抗和串擾。這些參數(shù)對于評估電纜和連接器的性能至關重要。

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此外，矩陣開關箱用于切換信號路徑，可以提高測試的靈活性和可擴展性。

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同時，設計和仿真軟件也是不可或缺的一部分，包括ADS、EMPro、PLTS和PathWave以及自動化測試軟件等等。這些軟件工具可以幫助工程師在設計階段進行精確的仿真和優(yōu)化，從而提高產品的性能和可靠性。

通過這些測試設備，系統(tǒng)能夠快速、準確地測量和驗證高速線纜的性能，滿足高速通信的需求確保高速傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

圖9. Keysight高速線纜測試解決方案

多端口測試

多端口測試方案是Keysight高速線纜測試解決方案的一大亮點??。

多端口測試方案采用PXI模塊網分，每個PXI模塊都是一個完整的VNA，每塊網分板卡都有獨立的源、測量接收機和參考接收機，這意味著可以在一個或多個PXIe機箱中級聯(lián)多個PXIe VNA板卡進行并行測量，從而顯著減少測試時間，提高測試效率。多端口網絡分析儀的配置靈活且可擴展，PXIe機箱可選配10槽機箱M9010A或18槽機箱M9019A。這種模塊化設計使得系統(tǒng)可以根據實際需求進行擴展，從而提供更高的靈活性和可擴展性。

例如，Keysight的M980xA系列PXIe VNA是一個全2端口VNA，最高測試頻率53GHz，只占用一個PXIe插槽。同時也可選配4端口或6端口，頻率最高支持到20GHz，占用兩個PXI插槽。除去一個控制器槽位外，配合M9019A 18槽PXIe機箱，單個PXIe機箱中的17個2端口模塊可為您提供34個完整測試端口。因一對差分線纜測試需要4個端口，所以單個PXIe 機箱可以測試8對線纜。由于每個端口都有自己的源、參考和測試接收器，因此測量速度明顯加快。您還可以將模塊配置為多個獨立的Multi-site（多工位）配置。

如下圖，機箱中裝配了16塊板卡，每兩塊板卡可以作為一個站點（site）即一個全4端口網分使用，整個機箱可以提供8個工位，相對應的，可以打開8個網分測試軟件，可支持8個測試員或8個被測件同時測試使用。配置的靈活性意味著您可以輕松地更改設置以滿足您的測量需求并優(yōu)化吞吐量。

圖10. PXI網分多工位快速測試

PXI網分多工位方案測試時間如下：

除了PXI 網分外，臺式矢量網絡分析儀（VNA）也可以通過開關或擴展測試集的方式實現(xiàn)測試端口數(shù)的擴展。

如下圖，開關矩陣或擴展測試集可以通過軟件切換網絡分析儀信號路徑，按某種特定順序使用網分主機上的1、2、3、4端口進行串行測試，這種方法可以減少設備的使用量，從而降低整體測試成本。此外，測試頻率>40GHz時，級聯(lián)開關會降低系統(tǒng)動態(tài)范圍，因此，可以采用Keysight高性能開關以便在高頻率下保持較高的測試精度和穩(wěn)定性。

圖11. 臺式網分+矩陣開關箱的多端口測試方案

該解決方案還能提供信號完整性測試。

1. 物理層分析軟件（PLTS）

物理層分析軟件（PLTS）可以與是德科技的多種設備（示波器與網絡分析儀）進行連接，完成物理層分析測試，并提供儀表的校準和測量向導。PLTS用于TDR/TDT、S參數(shù)、眼圖等高級數(shù)據分析。PLTS提供了先進的數(shù)據分析手段、多端口校準和測量分析（SnP）以及高級校準技術 (AFR，Delta-L，TRL 校準向導和差分串擾校準向導等)，可以幫助工程師更好地理解信號的傳輸特性，從而優(yōu)化設計。PLTS還支持各種主流信號完整性的測試方法和計算項目，如PAM-4眼圖分析、COM測試、預加重、均衡（CTLE、FFE、DFE、CTLE、FFE）、ILD、ICN等。這些測試方法和計算項目可以幫助工程師全面評估信號的完整性，從而優(yōu)化設計，提高產品的性能和可靠性。

2. 自動夾具去除（AFR）功能

自動夾具去除（AFR）是其中網絡分析儀校準技術中的一個功能，該功能是高速線纜測試解決方案中的一項重要功能。

為什么需要自動夾具移除功能（AFR -Automatic Fixture Removal）？

許多器件沒有同軸連接器，因此在同軸環(huán)境中測量需要使用夾具固定或傳輸線轉換連接（例如，從同軸到PCB微帶線的轉換，用來測量背板傳輸線、高速連接器、表貼無源器件、有源器件（放大器，混頻器，）等等）。為了保證被測器件（DUT）的測量精度需要精確移除夾具效應。

自動夾具移除選件，添加了功能強大的向導程序，引導您表征夾具并從測量結果中移除夾具效應，主要特點如下：

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可以更簡單地從非同軸器件測量結果中去除夾具效應

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從 2x 直通或單端口測量結果中提取夾具的 S參數(shù)

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在向導程序的逐步引導下表征夾具，并去除測量結果中的夾具效應

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去嵌入文件可保存為多種格式，以便日后使用

自動夾具移除（AFR）的要求：

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被移除的夾具，可以是完整的直通（Thru）或左邊和右邊各為直通（Thru）的一半，如下所示。

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測試夾具和Thru都由完全相同的介質（轉接頭及電路基板材料等）制成；最好在同一塊介質基板上制作。

自動夾具移除AFR支持單端及差分、多端口和非標準50ohm的夾具去除。AFR提供了方便的向導式操作，支持不同長度的夾具提?。▕A具提取時的夾具長度可與測試時不同）；支持夾具與DUT阻抗不同，方法是分別測試夾具自身與實際DUT+夾具，改善DUT的阻抗匹配。AFR還支持在網分或PLTS上直接去嵌修正，支持輸出不同格式的夾具參數(shù)（PLTS格式，ADS格式，VNA格式）。

Keysight的高速線纜解決方案通過先進的設計和測試工具，提供了高效、可靠的多端口測試方案，滿足了現(xiàn)代高速數(shù)據傳輸?shù)男枨?。無論是在研發(fā)還是生產環(huán)境中，該解決方案都展現(xiàn)了其卓越的性能和靈活性。

總結

數(shù)據中心是推動AI(人工智能)，機器學習發(fā)展的基石，而作為高速互連技術，高速線纜給AI數(shù)據中心提供了關鍵支持！不論是作為GPU集群，還是服務器、交換機的互連，高速線纜助力數(shù)據中心數(shù)據速率攀升，讓我們一起期待持續(xù)增長的高速互連需求以及帶來的測試挑戰(zhàn)，Keysight 豐富的網分儀器產品、矩陣開關、測試軟件和完整的高速線纜測試解決方案幫助您解決高速線纜及連接器在研發(fā)以及大批量生產的測試需求，確保產品良率。