高速连接系统设计在云计算中面临的挑战

已经大规模普遍使用的互联网增加云服务（例如：苹果iCloud）以后，数据中心的纯计算与存储要求正经历史无前例的增长。这种增长直接影响到了能耗。随着它的不断增长，工程师们也正在寻找控制功耗的解决方案。由于联网系统所使用的连接器传输速度超出了每秒10Gb (Gbps)，因此，本文中我们将专门研究连接器功率预算，以及降低这些高速通道功耗的解决方案。

引言

今天，毫无疑问互联网数据传输正迅速增长。思科公司的最新（2011年6月）视觉网络指数(VNI)预测报告清楚地显示了这一趋势，其预测兴趣点为移动空间的增长情况（请参见图1）。 "云"计算与存储引入以后，在这种新颖模式的推动下，带宽消耗越来越大。移动用户从简单的文本数据传输转向高清照片和视频传输，用户迫切需要将这些内容复制到云存储，将视频转码发布，并将多媒体数据复制到各种各样的设备中（更不必说在社交网络上发布）。这种性能压力最终要求提高处理和通信能力。

图1：2010-2015年互联网带宽趋势

但是，这些增长是有代价的--不仅仅是费用，还包括功耗方面。新一代服务器和网络的设计人员已经在同功耗做斗争--在购置成本(CoO)和实用热设计两方面。怎样构建系统才能既提高性能又降低功率呢？在信息爆炸式增长的时代，这是一场永无止境的战斗。

首先研究什么

同所有系统设计一样，新一代服务器和网络首先应提高性能。在云计算架构中，服务通常会随加载变化而变化。已不再是一台"服务器"，而是一种离散式硬件设备。在大多数情况下，提供服务的实际硬件可以放置在服务提供商基础设施内部的任何地方，其位置具有"不确定性"，随时变化。这种性能提升被称为软件框架内的服务"虚拟化"或者封装，其允许服务在硬件主机之间自由移动。这样便让服务提供商可以根据需求改变资源，从而降低基础设施的功耗。

由于服务得到控制，就有了大量的"机器到机器"（M2M）活动。在大多数数据中心，大多数数据传输都在机器之间进行，而不用连接外部世界。虚拟化的加入，推动了从1 Gbps连接（许多老旧服务器上的标准）转向10 Gbps连接的需求。今天，这种需求正推动转向使用25 Gbps连接。这些连线中的许多长度不到5米，而大多数的长度都在1米以内。出现这种情况的原因是服务器集群的构架。单个机架会放置许多刀片式服务器，其连接至机架顶部（或者底部）的开关。机架成行放置，通过集线器整合，然后将信息发送至其他服务器行或者网络存储器。

使用1Gb连接时，小型标准线可以在信号完整性丢失相当小的情况下轻松传输数据。这很重要，原因是：1）由于线路阻塞气流外流使服务器以外的气流减少；2）决定你在机架中能够布置多少条连线的弯曲半径（参见图2）。

图2：机架内部布线

转向使用10G以太网以后，信号完整性问题更加突出，无源线缆开始使用更大标准线来补偿。气流/弯曲半径问题开始显现，安装人员/设计人员开始想要使用光纤连接来解决这个问题。转向使用光纤带来了一些问题，例如：高成本和高功耗等。典型单个10G以太网SFP+模块的功耗为1瓦左右。使用数以万计的端口时，光纤连接的功耗需求量便急剧增加，并且功耗增加带来的一些问题也随之出现（机架温度上升）。

线缆连接问题

如果用于高速连接的无源线缆受到体积庞大和弯曲半径问题的困扰，则光纤解决方案的问题便是高功耗和高成本。看起来，似乎必须使用一种折中办法来解决这个问题。答案就是一种被称作"有源铜线"的技术-这是一个聪明的想法，其将一些有源元件嵌入到导体外壳中，以对由小标号线引起的高频损耗进行补偿。这种解决方案允许使用一些具有"光纤型"弯曲半径和大体积且功耗较高的小标号线。如DS100BR111等设备使用10 Gbps时每条通道的功耗一般低于65 mW，其常用于SFP+ 有源线应用。

应用于10 Gbps以太网时，大多数情况下这种能够提高线缆信号完整性的技术仅限于15米以下的连线长度。但是，如前所述，大多数连接线都在3米以下，可轻松地使用有源铜线替换无源或者光纤线。今天，这种方法常用于10 Gbps连接。但是，未来正快步向我们走来，即使是10 Gbps连接也将无法满足需求。

在光纤连接世界里，基本上有两种连接：1）短距离连接（小于1000 米）；2）远距离（大于1000米）通信。更长的光纤连接形成我们现代互联网基础设施的骨干网络，常使用 100 Gbps WDM光纤技术。为了降低这种技术的成本，包括Google、博科通讯 (Brocade Communications)、JDSU等在内的各大公司，于2011年3月批准了一个10 x 10 Gbps多源协议 (MSA)，用于物理媒介依赖(PMD)子层，其为C形状系数(CFP)模