Что такое кабели DAC и почему они важны в вычислительных инфраструктурах

Все серверные энтузиасты прекрасно знают, что подключение серверного оборудования друг к другу для формирования кластеров в 99% случаев используется подключение через всем известные интерфейсы SFP+, SFP28, QSFP28 и им подобные. При таком сценарии подключения для передачи данных с высокой скоростью и без помех вам обязательно нужно использовать связку из двух трансиверов под нужный разъем и патч-корд для непосредственного объединения двух сетевых устройств. Для многих это может стать морокой — трансиверы очень легко ломаются, постоянно нужно чистить ферулы, да и вообще работа с оптоволокном тяжело дается даже специалистам. Особенно прошаренные инженеры могут применять AOC-кабели, которые представляют из себя готовую сборку патч-корд+трансиверы, но они стоят дороже традиционного решения и не лишены его минусов. А что, если бы серверы с SFP-разъемами можно было соединять так же легко, как обычные RJ45-порты патч-кордом? Вы скажете — мечты сисадмина. Мы скажем — DAC-кабели, которые избавят вас от мучений с оптоволокном без потери скорости. В этой статье специалисты компании ServerFlow расскажут вам, что такое DAC-кабели, как они работают, на какие виды делятся, где применяются и почему вы обязательно должны опробовать их в вашей серверной инфраструктуре.

DAC (Direct Attach Copper) — это вид двухосевых кабелей с медным сердечником и коаксиальным экранированием, оснащенных коннекторами на двух концах для подключения вычислительного оборудования с разъемами SFP+, SFP28, QSFP, QSFP28 и используемые в качестве альтернативы традиционной связки два трансивера + линия передачи.

Несмотря на то, что DAC-кабели подключаются к оптическим интерфейсам, в них нет совершенно никаких оптических компонентов, таких как лазеры или фотоприемники — данные передаются исключительно в виде электрических сигналов через медь, что значительно упрощает конструкцию кабеля.

У читателей может возникнуть логичный вопрос: “Что за бред? Как самый обыкновенный медный кабель может конкурировать с передовыми оптическими решениями? Это ведь невозможно — сигнал будет затухать!”. На самом деле, еще как возможно, но для этого инженерам-проектировщикам DAC-кабелей пришлось основательно перелопатить архитектуру обычных кабелей и подключить лучшие умы из области физики, чтобы выжать из медной жилы все соки и сохранить целостность сигнала при передаче данных на высоких скоростях (50G, 100G, 400G, 800G). И главной архитектурной инновацией DAC является использование экстремального экранирования Twinaxial (Twinax)

Суть Twinax заключается в том, что каждую медную жилу DAC-кабеля наглухо закрывают сначала слоем алюминиевой фольги, а затем дополнительным слоем оплетки в виде сетки из луженой меди. Две изолированные жилы образуют одну сигнальную пару, количество которых зависит от типа и скорости готового DAC-кабеля. В конце все сигнальные пары кабеля закрывают “курткой” — внешней оболочкой из пластика, защищающей готовый DAC-кабель от внешних повреждений. 

Такое плотное экранирование уничтожает перекрестные помехи (Crosstalk) между соседними линиями внутри кабеля и защищает сигнал от внешних помех, позволяя передавать чистый сигнал на высоких скоростях вплоть до сотен Гбит/с. Однако по той же причине DAC-кабели отличаются особой жесткостью — если скрутить в бухту обычную витую пару или оптику не составит особого труда, то провернуть тоже самое с DAC-кабелем не выйдет, он просто вернется в исходное положение, если его предварительно не закрепить скотчем или проволокой.

В общем, DAC-кабели — это вам не просто очередной провод, коих кишмя-кишит в любой серверной комнате. Это сложное, высокотехнологичное решение, которое с легкостью заменит обычные трансиверы с патч-кордами.

Жесткие рамки по длине DAC могли бы ограничить сценарии использования этих передовых решений, поэтому инженеры создали сразу две вариации технологии, которые отличаются друг от друга максимальным расстоянием передачи сигнала: пассивные и активные DAC-кабели.

• Пассивные DAC — обычные экранированные DAC-кабели с двумя трансиверами на концах без каких-либо дополнительных технологических интеграций для усиления сигнала. Пассивные DAC позволяют передавать сигнал на высокой скорости без затухания, но только на короткие расстояния: от 0,5 до 7 метров. Являются наиболее распространенным и дешевым видом DAC, применяются для объединения серверов в рамках стоек или двух стоек, расположенных рядом друг с другом, при этом не тратя энергию коммутатора. Пассивные DAC обычно имеют толстую медную жилу с калибром 24 AWG (0,51 мм²);
• Активные DAC — более продвинутый тип DAC-кабелей, оснащенных сигнальным процессором/эквалайзером, который принимает ослабленный сигнал из кабеля, очищает его от шумов, усиливает и передает к устройству-получателю. Это позволяет увеличить длину передачи сигнала вплоть до 10-20 метров. Активные DAC используются для подключения серверных стоек с коммутатором ядра в ЦОД, стоят дороже пассивных DAC и тратят 0,5-1 Вт энергии на порт. Активные DAC обычно имеют тонкую медную жилу с калибром 30 AWG (0,25 мм²).

Вы обратили внимание на энергопотребление DAC? Его или вообще нет, как в пассивных DAC, либо 1 Вт на порт максимум, как в активных DAC. А теперь вспомните оптические AOC-кабели, энергопотребление которых может достигать вплоть до 4 Вт на порт со скоростями свыше 400 Гбит/с из-за использования лазеров, фотоприемников и прочей активной электроники. Может показаться, что на фоне видеокарт и серверных процессоров с TDP по 500 Вт или GPU-стоек по 1 кВт мощности подобные показатели энергопотребления могут выглядеть как малые крохи, но в масштабах ЦОД, где сетевые порты исчисляются десятками или даже сотнями тысяч, использование DAC-кабелей оборачивается колоссальной экономией на энергозатратах и охлаждении.

Стоимость — еще один отличительный плюс DAC-кабелей. Так как в них не используются дорогие оптические компоненты, стоимость пассивных DAC, которых хватит для большинства серверных сценариев использования, обычно в 1,5-2 раза ниже, чем у AOC-кабелей. Да, цена на активные DAC выше, чем у пассивных кабелей, но совокупная стоимость все равно выходит дешевле оптических решений, особенно при подключении серверов на расстоянии до 10 метров. Так что если вам не нужно передавать данные на десятки метров с высокой скоростью, то DAC-кабели будут наиболее оптимальным, бюджетным и эффективным решением.

Помимо основных разновидностей DAC, отличающихся по длине передачи данных, существует еще один подтип медных кабелей, не подпадающий под основную классификацию из-за своей конструкционной особенности — Breakout DAC, в простонародье известный как “гидра”. По сути, это обычный DAC-проводник, но в отличие от других аналогичных решений, он может разделяться на 4 отдельных канала, благодаря чему инженеры и дали ему название в честь многоголового ящера из древнегреческой мифологии. Работает это так: если у вас есть 1 Breakout DAC-кабель со скоростью 100 Гбит/с с интерфейсом QSFP+, то вы можете разделить его на 4 отдельных кабеля со скоростями по 25 Гбит/с с интерфейсами SFP28. 

При таком подключении коммутатор с поддержкой сам занимается агрегацией разделенных каналов: раскладывает исходящий поток на несколько физических передатчиков и собирает входящий с нескольких приемников обратно в один логический канал. Конечно, это вовсе не уникальная функция, доступная только для DAC-кабелей — опция разветвления одного канала на несколько линий поменьше давно существует и в оптике, но это лишний раз подчеркивает, как близко медные проводники подобрались к возможностям технологий передачи данных через свет.

Теперь, когда мы разобрались, почему DAC-кабели лучше оптики на коротких дистанциях, самое время посмотреть, где именно они незаменимы в реальной вычислительной и сетевой инфраструктуре.

• Внутристоечное подключение (Top-of-Rack). Главная вотчина пассивных DAC. Серверы и коммутаторы в одной стойке соединяются короткими кабелями длиной 0,5-3 метра. Никаких трансиверов, никакой возни с патч-кордами — просто воткнул и забыл. Меньше точек отказа и нулевое энергопотребление в комплекте.
• Объединение коммутаторов. Когда нужно собрать несколько свитчей в стек или создать высокоскоростную фабрику, короткие и быстрые DAC станут идеальным вариантом.
• HPC и ИИ-кластеры. В системах, где важна каждая микросекунда задержки без лишнего нагрева и энергопотребления, пассивные DAC становятся бесценны, обеспечивая минимальное время передачи данных без накладных расходов при подключении вычислительных нод к коммутатору.
• SAN/NAS. Серверы и дисковые массивы с интерфейсами SFP28/SFP+ объединяются в единый фабричный канал с помощью DAC, сохраняя низкую задержку доступа к данным и снижая стоимость порта на подсистеме хранения.
• Подключению к коммутатору ядра. Там, где расстояния между стойками достигают 10-15 метров, в дело вступают активные DAC. Они позволяют связать коммутаторы ядра и агрегации без дорогих оптических трансиверов, потребляя всего 1 Вт на порт.
• Телекоммуникационное оборудование. Во внешних серверных шкафах, подстанциях и промышленных системах, где важна защита от электромагнитных помех (EMI), надежность и работа в широком диапазоне температур, DAC-кабели оказываются предпочтительнее уязвимой активной оптики, которая ломается от любого чиха и постоянно загрязняется
• Blade-серверы и конвергентные инфраструктуры. Внутренняя коммутация между лезвиями и встроенными коммутаторами шасси традиционно строится на коротких медных линках. В таких системах DAC закрепился как основной стандарт.

Короче говоря, везде, где расстояние позволяет обойтись медью, DAC-кабели становятся выбором умных инженеров, которые устали менять перегретые трансиверы и хотят получить максимум скорости при минимуме головной боли.

Несмотря на все преимущества DAC-кабелей, многие энтузиасты всерьез считают, что их эпоха, как и эпоха всех медных сетевых кабелей, постепенно подходит к концу из-за роста скоростей Ethernet — дальше в дело идет только оптика. Однако это не более, чем заблуждение.

Уже сегодня пассивные и активные DAC выпускаются для всего спектра скоростей — от скромных 25G до внушительных 400G, а спецификации под 800 Гбит/с и 1.6 Тбит/с уже давно вышли за пределы инженерных чертежей и стали серийными продуктами в каталогах крупных производителей. 

Но почему индустрия так сильно держится за, казалось бы, устаревшую технологию и не спешит массово переходить на свет? Тут все просто — медь не до конца изжила себя. Там, где раньше хватало простого экранирования twinax, теперь трудятся сигнальные процессоры, адаптивные эквалайзеры и ретаймеры. Технологии модуляции тоже шагнули вперед: переход с NRZ на PAM-4 позволил передавать два бита за такт, не повышая частоту сигнала. Благодаря этому пассивные DAC на 400G (QSFP-DD, 8×50G PAM-4) спокойно работают на дистанциях 2-3 метра, активные версии с усилителями уверенно добивают до 5-7 метров, а 1 метра вполне достаточно для подключения серверов в стойке для передачи данных на колоссальной скорости в 1 Тбит/с. 

К тому же статистика играет на руку меди. Подавляющее большинство соединений внутри стойки — это 1-2 метра, между соседними стойками — до 5 метров. На этих дистанциях оптические трансиверы со своими лазерами, фотодиодами и микросхемами контроля банально избыточны. DAC дает ту же полосу пропускания за меньшие деньги, с нулевым (в пассивном варианте) потреблением энергии и без единой стеклянной жилы, которую можно переломить или загрязнить ферулу. Именно поэтому гиперскейлеры и операторы ЦОД, считающие каждый ватт и доллар, продолжают заказывать медные сборки миллионами. 

Так что DAC не вымирают, а эволюционируют. Медь не конкурирует с оптикой на многокилометровых магистралях, а осваивает свою нишу — сверхкороткие высокоскоростные линки внутри серверной стойки. 

Как бы энтузиасты не топили за оптику, медь и, в частности, DAC-кабели всегда были, остаются и будут самым любимым методом сверхбыстрой передачи данных между серверами. Не нужно подбирать трансиверы, покупать патч-корды и все время чистить коннекторы — просто подключил медь к портам и пошел мониторить инфраструктуру в комнату управления. Именно эта надежность и простота эксплуатации подкупают специалистов разного уровня использовать именно DAC-кабели, и ограничение по длине подключения не идет ни в какое сравнение со всеми преимуществами медных соединений.