AI 计算带来的数据中心高速线缆需求

随着数据传输需求的不断增加，高速互连技术变得越来越重要。目前在业界引起广泛关注的超大规模AI数据中心就离不开各类高速线缆。数据中心400G和800G速率成为主流，1.6T升级趋势明确，目前主用于通信领域的SerDes速率在56G和112G，在即将到来的224G时代，数据中心通信单端口速率将基于4通道达到800G，8通道达到1.6T，成本有望大幅下降。与之对应的铜连接单通道速率也向着更高的112Gbps和224Gbps演进。预计到2028年，高速线缆的市场总量将超过28亿美金。由于AI驱动的需求，未来铜缆（DAC）的数量会非常强劲，甚至可能超过AOC（有源光缆）。

图1和2 高速线缆市场预测*AOC/DAC/AEC为高速线缆类型

下一代224G 技术

为了满足 AI 对海量计算能力和存储容量的需求，超大型企业必须考虑连接计算资源，并开创出专用生成式 AI数据中心的新时代。这种面向未来的想法直接导致了 224 Gbps解决方案的开发。224G技术于两年前开始开发，推动了半导体和互连领域的技术进步，成为支持生成式 AI革命的基础技术之一。尽管关于224 Gbps传输技术的研究已经展开，工作组也已经成立，但目前还没有发布任何标准。一个研究方向是调制方式——是继续使用 PAM4调制还是转到更高阶的方案，譬如 PAM6（每符号约 2.6 比特）、 PAM8（每符号 3 比特）乃至 PAM16（每符号 4 比特）。其他可能的方法包括离散多音（DMT）或部分响应PAM4调制。

图 3. 224 Gbps 以上的电信号

PAM4调制的优势

PAM是什么意思？

PAM（Pulse Amplitude Modulation) 脉冲幅度调制信号是下一代数据中心做高速信号互连的一种热门信号传输技术，可以广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输。脉冲幅度调制是一种在物理层使用的多电平信号方案，允许通过改变电压脉冲的幅度来每时钟周期传输多个比特。结果是数据速率增加。PAM4调制（四电平脉冲幅度调制）使用四个电压级别每时钟信号传输 2 比特，相比传统的无归零 (NRZ) 信号，数据速率翻倍。

高速接口的路线图IEEE以太网已经在400G和800G以太网中使用PAM4调制方案。还可以看到其他技术如计算机串行总线（包括 PCIe 6、7 和 USB4 V2）将利用脉冲幅度调制技术, 内存技术也将加入PAM调制的潮流。

继续使用PAM4调制的优势在于，业界已经对这项技术开展了大量的研究，而其劣势则在于这种调制方式要求整个链路具有相对较大的器件带宽。224 Gbps PAM4 的波特率为112 GBd，因此整个系统的带宽（包括线缆、连接器、调制器、检波器、ADC 和 DAC）必须为 84GHz 左右，生产中测试频率至少需要达到 56GHz（Nyquist频率）。

高速线缆测试挑战

▼高速线缆在数据中心的应用

数据中心是现代信息社会的神经中枢，承载着海量数据的快速处理和安全存储。在这样的背景下，高速线缆在数据中心的应用显得尤为关键。它们作为数据传输的桥梁，确保了服务器、存储设备以及其他网络设备之间的高速、稳定连接。通过使用高速线缆，数据中心能够实现高效的数据交换，满足日益增长的数据处理需求。下面将详细介绍高速线缆在数据中心的应用。

▼数据中心典型架构

大型数据中心是光互连技术和创新增长最快的市场——由于机器对机器通信快速增长，70% 的互联网流量发生在数据中心内部。图4展示了基于 CLOS 架构（也称为叶脊）的典型数据中心网络结构。

图 4. 典型超大规模数据中心的网络架构

数据中心内部网络从下到上通常分为三到四层。服务器到核心网的各层级之间存在各种互连，它们的长度短则几米，长则数千米，因此需要采用不同的数据传输技术和接口标准。

服务器机柜/机架顶部（TOR）交换机 - 最下面一层的服务器机架与机柜顶部的 TOR 交换机相连。当今的数据中心通常部署 25G-40G 网络，其中部分人工智能（AI）应用采用 100G-200G 速度。连接要么位于机柜内部，要么是在相邻的机柜之间，其距离通常不超过 5米。目前使用的典型接口技术包括直连铜缆（DAC）和有源光缆（AOC）。随着速度向着 400G 和 800G 升级，DAC的数据传输距离太短，需要改用有源电缆（AEC）。

TOR交换机到叶交换机 - 第二层互连是 TOR交换机与叶交换机之间的连接。这种互连的传输距离高达约 50 米。叶到脊 - 叶到脊连接的连接距离高达 500 米，可以在单个园区或是相邻的多个园区中使用。这种数据传输技术连接采用的接口速率与 TOR交换机到叶交换机连接类似，在数据中心，400G交换机是主流。脊到核心网 - 当传输距离进一步增加到2千米时，用户开始考虑光纤成本，因此通常会采用波分复用技术在一根光纤上通过不同的波长光信号发送数据，目前使用的模块包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4 和 400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。数据中心互连（DCI）- 相邻的几个数据中心通常采用这种数据传输方式来建立连接，从而实现负载平衡或灾难恢复备份。传输距离可能从几十千米到一百千米不等。更长距离的传输采用的是密集波分复用技术，并在近年用相干通信替代了直接检测技术。多年以来，电信运营商在远距离（数百千米）应用中部署的是 100G 相干技术。他们也在研究如何提高到 200、400、800G 技术的速度。DCI 的传输距离并不像电信应用那么远，主要是点对点传输，因此可以使用外形和功耗都比较小的可插拔模块（如 400G-ZR）来进行相干传输。 ▼高速线缆是什么？

高速线缆是一种专门设计用于高速数据传输的线缆，通常具有较高的传输速率和带宽。‌高速线缆在数据中心、云计算、大数据分析等领域有广泛应用，能够支持高速数据传输和大规模数据处理的需求。与普通线缆相比，高速线缆在材料和结构上有所不同，通常采用更先进的材料和技术，以确保信号的稳定传输和抗干扰性能。此外，高速线缆还具有较低的延迟和较高的可靠性，能够满足现代高速网络和计算环境的需求。

图 5. 数据中心高速线缆图

高速线缆特点：

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高密度（多端口）：高速数据线缆通常使用差分结构，一个线束通常包含多对（Lane）线缆，这就需要测试仪表有更多的测试端口数。

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高速：随着224Gbps速率需求的爆发式增长，高速线缆必须支持更高的数据传输速率。

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高频：高频线缆测试则涉及56GHz的生产测试和84GHz的研发测试。

想要测试这样的高速线缆，核心要求有三个：精度，稳定性，效率。同时高速线缆测试参数的复杂度也在提高，包括差分S参数（如插损、回损、串扰）、插入损耗差异（ILD）和集成串扰噪声（ICN）等。

图6.用于数据中心的高速线缆举例

在现代数据中心中，DAC（Direct Attach Cable）线缆和AOC（Active Optical Cable）线缆是两种常见且重要的传输线缆类型。虽然它们外观相似，但在应用场景、性能和成本上却有着显著差异。

▼DAC高速线缆是什么？

DAC高速线缆（Direct Attach Cable）一般译为直接电缆或直连铜缆，通常是以固定长度采购、两端带有固定接头的线缆组件，不可更换端口，模块头和铜缆不能分离。

DAC 高速线缆在数据中心的应用DAC高速线缆是一种用于在数据中心内连接服务器、存储设备和网络设备的高速电缆。它具有低延迟、高带宽和低成本等优点，因此在数据中心得到了广泛的应用。DAC 高速线缆通常用于短距离的数据传输，例如在服务器机架内部或相邻的机架之间。它可以替代传统的光纤电缆，提供更高的带宽和更低的延迟，从而提高数据中心的性能和效率。DAC 高速线缆还可以用于连接存储设备，例如 SAN（存储区域网络）和 NAS（网络附加存储）。它可以提供更高的传输速度和更低的延迟，从而提高存储设备的性能和可靠性。

高速传输是DAC高速线缆的最大优势之一。它支持高达100Gbps的数据传输速率，比传统的铜缆快得多。这使得它能够满足数据中心对高速数据传输的需求，提高数据中心的效率和性能。

DAC高速线缆的优势是高性价比、高效能、高速率、高复合以及低损耗，主要包括以下四点：

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高性能：适用于数据中心的短距离布线，使用范围广，集成方案交换能力强。

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节能环保：高速线缆内部材质是铜芯，铜缆的自然散热效果好，节能环保。

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低功耗：高速线缆功耗低。由于无源电缆不需要电源；有源电缆耗电量一般在440mW左右。

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低成本：铜缆价格与光纤相比要低得多，使用高速线缆能够大大降低整个数据中心的布线成本。

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支持热插拔：支持热插拔功能，可以在设备运行时进行插拔操作，不需要关闭设备，提高了数据中心的灵活性和可扩展性。

图7. DAC高速线缆图片

▼AOC线缆是什么？AOC线缆是（Active Optical Cables）有源光缆的简称，是指通信过程中需要借助外部能源，将电信号转换成光信号，或将光信号转换成电信号的通信线缆，光缆两端的光收发器提供光电转换以及光传输功能。AOC线缆的优势：

• 带宽更大：不需要设备升级，具有高达40Gbps的吞吐量。
• 轻巧：比高速线缆轻巧很多。
• 电磁干扰度低：由于光纤是一种电介质，所以不容易受到电磁干扰的影响。

图8. AOC线缆图片

▼DAC线缆和AOC线缆区别是什么？

° 传输介质不同 - DAC线缆使用铜缆传输电信号，而AOC线缆则使用光纤传输光信号。

° 功耗和传输距离不同 - AOC线缆功耗较高，但支持更远的传输距离（可达100米）；DAC线缆功耗低，适合短距离传输（通常不超过10米）。

° 应用场景不同 - DAC线缆常用于同一机柜内的设备互联，而AOC线缆则适用于不同机柜之间的长距离高速互联。

▼选择DAC线缆或AOC线缆？在选择使用DAC线缆或AOC线缆时，需要根据具体应用场景、性能要求和成本预算进行判断。DAC线缆因其低成本和低功耗，成为短距离互联的首选。而AOC线缆则凭借其长距离传输和抗电磁干扰的优势，广泛应用于需要高速数据传输的场合。

不论是DAC线缆还是AOC线缆，在测试过程中都有不同的侧重点：

DAC线缆测试

DAC线缆测试主要关注频域参数（如S参数）、时域参数（TDR/TDT）以及多端口串扰评估。是德科技的矢量网络分析仪（VNA）配合测试软件解决方案能够帮助您实现全面的多端口测试，并通过眼图分析功能评估抖动指标。AOC线缆测试因AOC线缆包含多个有源器件，如Retimer、CDR、O/E等，因此需采用时域响应激励法，模拟真实传输环境下的信号传输状况，并进行抖动、误码率等测试。

Keysight 高速线缆测试解决方案

在数据中心迈向800G、1.6T的时代，选择合适的传输线缆和连接器至关重要。是德科技提供的全面测试解决方案，从物理层到协议层，帮助客户应对不断升级的测试挑战。无论您是在考虑DAC还是AOC，我们都能为您提供最合适的解决方案。

在高速线缆测试中，Keysight的解决方案结合了多种设计和测试工具，这些工具在高速数据传输中起着至关重要的作用。

• 首先，矢量网络分析仪（VNA）是该方案的核心设备之一。VNA包括PXI 和台式两种类型，主要用于测量S参数、插损、阻抗和串扰。这些参数对于评估电缆和连接器的性能至关重要。
• 此外，矩阵开关箱用于切换信号路径，可以提高测试的灵活性和可扩展性。
• 同时，设计和仿真软件也是不可或缺的一部分，包括ADS、EMPro、PLTS和PathWave以及自动化测试软件等等。这些软件工具可以帮助工程师在设计阶段进行精确的仿真和优化，从而提高产品的性能和可靠性。

通过这些测试设备，系统能够快速、准确地测量和验证高速线缆的性能，满足高速通信的需求确保高速传输的稳定性和可靠性。

图9. Keysight高速线缆测试解决方案

多端口测试

多端口测试方案是Keysight高速线缆测试解决方案的一大亮点⭐️。

多端口测试方案采用PXI模块网分，每个PXI模块都是一个完整的VNA，每块网分板卡都有独立的源、测量接收机和参考接收机，这意味着可以在一个或多个PXIe机箱中级联多个PXIe VNA板卡进行并行测量，从而显著减少测试时间，提高测试效率。多端口网络分析仪的配置灵活且可扩展，PXIe机箱可选配10槽机箱M9010A或18槽机箱M9019A。这种模块化设计使得系统可以根据实际需求进行扩展，从而提供更高的灵活性和可扩展性。

例如，Keysight的M980xA系列PXIe VNA是一个全2端口VNA，最高测试频率53GHz，只占用一个PXIe插槽。同时也可选配4端口或6端口，频率最高支持到20GHz，占用两个PXI插槽。除去一个控制器槽位外，配合M9019A 18槽PXIe机箱，单个PXIe机箱中的17个2端口模块可为您提供34个完整测试端口。因一对差分线缆测试需要4个端口，所以单个PXIe 机箱可以测试8对线缆。由于每个端口都有自己的源、参考和测试接收器，因此测量速度明显加快。您还可以将模块配置为多个独立的Multi-site（多工位）配置。

如下图，机箱中装配了16块板卡，每两块板卡可以作为一个站点（site）即一个全4端口网分使用，整个机箱可以提供8个工位，相对应的，可以打开8个网分测试软件，可支持8个测试员或8个被测件同时测试使用。配置的灵活性意味着您可以轻松地更改设置以满足您的测量需求并优化吞吐量。

图10. PXI网分多工位快速测试PXI网分多工位方案测试时间如下：

测试频率	线缆对数	端口数	测试时间(直通)
10MHz-53GHz	8	32	小于8秒
16	64	小于9秒
32	128	小于10秒
36	144	小于20秒
40	160	小于20秒

除了PXI 网分外，台式矢量网络分析仪（VNA）也可以通过开关或扩展测试集的方式实现测试端口数的扩展。

如下图，开关矩阵或扩展测试集可以通过软件切换网络分析仪信号路径，按某种特定顺序使用网分主机上的1、2、3、4端口进行串行测试，这种方法可以减少设备的使用量，从而降低整体测试成本。此外，测试频率>40GHz时，级联开关会降低系统动态范围，因此，可以采用Keysight高性能开关以便在高频率下保持较高的测试精度和稳定性。

图11. 台式网分+矩阵开关箱的多端口测试方案

该解决方案还能提供信号完整性测试。

1.物理层分析软件（PLTS）

物理层分析软件（PLTS）可以与是德科技的多种设备（示波器与网络分析仪）进行连接，完成物理层分析测试，并提供仪表的校准和测量向导。PLTS用于TDR/TDT、S参数、眼图等高级数据分析。PLTS提供了先进的数据分析手段、多端口校准和测量分析（SnP）以及高级校准技术 (AFR，Delta-L，TRL 校准向导和差分串扰校准向导等)，可以帮助工程师更好地理解信号的传输特性，从而优化设计。PLTS还支持各种主流信号完整性的测试方法和计算项目，如PAM-4眼图分析、COM测试、预加重、均衡（CTLE、FFE、DFE、CTLE、FFE）、ILD、ICN等。这些测试方法和计算项目可以帮助工程师全面评估信号的完整性，从而优化设计，提高产品的性能和可靠性。

2.自动夹具去除（AFR）功能

自动夹具去除（AFR）是其中网络分析仪校准技术中的一个功能，该功能是高速线缆测试解决方案中的一项重要功能。

为什么需要自动夹具移除功能（AFR -Automatic Fixture Removal）？

许多器件没有同轴连接器，因此在同轴环境中测量需要使用夹具固定或传输线转换连接（例如，从同轴到PCB微带线的转换，用来测量背板传输线、高速连接器、表贴无源器件、有源器件（放大器，混频器，）等等）。为了保证被测器件（DUT）的测量精度需要精确移除夹具效应。

自动夹具移除选件，添加了功能强大的向导程序，引导您表征夹具并从测量结果中移除夹具效应，主要特点如下：

• 可以更简单地从非同轴器件测量结果中去除夹具效应
• 从 2x 直通或单端口测量结果中提取夹具的 S参数
• 在向导程序的逐步引导下表征夹具，并去除测量结果中的夹具效应
• 去嵌入文件可保存为多种格式，以便日后使用

自动夹具移除（AFR）的要求：

• 被移除的夹具，可以是完整的直通（Thru）或左边和右边各为直通（Thru）的一半，如下所示。
• 测试夹具和Thru都由完全相同的介质（转接头及电路基板材料等）制成；最好在同一块介质基板上制作。

自动夹具移除AFR支持单端及差分、多端口和非标准50ohm的夹具去除。AFR提供了方便的向导式操作，支持不同长度的夹具提取（夹具提取时的夹具长度可与测试时不同）；支持夹具与DUT阻抗不同，方法是分别测试夹具自身与实际DUT+夹具，改善DUT的阻抗匹配。AFR还支持在网分或PLTS上直接去嵌修正，支持输出不同格式的夹具参数（PLTS格式，ADS格式，VNA格式）。

Keysight的高速线缆解决方案通过先进的设计和测试工具，提供了高效、可靠的多端口测试方案，满足了现代高速数据传输的需求。无论是在研发还是生产环境中，该解决方案都展现了其卓越的性能和灵活性。

总结

数据中心是推动AI(人工智能)，机器学习发展的基石，而作为高速互连技术，高速线缆给AI数据中心提供了关键支持！不论是作为GPU集群，还是服务器、交换机的互连，高速线缆助力数据中心数据速率攀升，让我们一起期待持续增长的高速互连需求以及带来的测试挑战，Keysight 丰富的网分仪器产品、矩阵开关、测试软件和完整的高速线缆测试解决方案帮助您解决高速线缆及连接器在研发以及大批量生产的测试需求，确保产品良率。