La solution de câblage pour les data centers d'aujourd'hui

Tout comme les conduits transportent du gaz ou du pétrole, les câbles transportent des données, le carburant de l'informatique.

Les types de câbles dont les équipements de données et de communications ont besoin dépendent de divers facteurs, notamment du type de trafic qu'ils transportent et des distances qu'ils parcourent. Par exemple, les câbles destinés au stockage de données acheminent le trafic des ordinateurs vers les commutateurs de stockage puis vers les unités de stockage, tandis que les câbles destinés au trafic réseau acheminent les données des ordinateurs vers les commutateurs réseau puis vers les routeurs. Le trafic de télécommunications se déplace des antennes-relais de téléphonie mobile ou des boîtes de connexion vers les bureaux centraux. Chacun de ces types nécessite des câbles différents.

Les distances sont également importantes : le câblage peut parcourir une très courte distance, dans un même rack de serveurs ou entre différents racks ou salles d'un bâtiment. Cependant, d'autres câbles doivent être installés sur tout le campus et s'étendre sur des kilomètres.

Au fil des années, les décisions en matière de câblage sont devenues de plus en plus importantes en raison d'une évolution majeure : la croissance rapide des data centers.

L'essor des data centers

La révolution de l'IA s'appuie sur des data centers haute vitesse, qui servent de pilier informatique pour les applications. La croissance explosive de l'IA s'accompagne d'une augmentation de la demande de data centers. Selon McKinsey, les États-Unis à eux seuls enregistreront une augmentation de 10 % de la demande de data centers, au moins jusqu'en 2030. En outre, selon un rapport de Dell'Oro Group, les dépenses d'investissement dans les data centers ont augmenté de près de 50 % au cours du seul deuxième trimestre 2024, principalement en raison de la demande croissante de serveurs d'IA.

Pour répondre à l'appétit insatiable en matière de calcul haute vitesse, la seule croissance du nombre de data centers ne suffit plus. Les serveurs hautes performances sont également contraints de fournir un meilleur débit, plus rapide et plus élevé, à la fois pour transférer les informations dans les data centers et entre eux via des interconnexions. Alors que les réseaux 100G étaient autrefois la référence absolue, les déploiements 400G deviennent monnaie courante, l'IIoT, le cloud computing et l'IA stimulant leur adoption. Une autre évolution à surveiller dans les data centers est la nécessité croissante de réduire la consommation d'énergie. Cela implique qu'il faut augmenter la vitesse de transmission des données et la rendre plus efficace sur le plan énergétique.

Que suppose ce besoin d'une informatique améliorée, plus étendue, plus rapide et plus écoénergétique pour le câblage des data centers ? Dans leur forme la plus élémentaire, les câbles doivent transporter les données rapidement, avec une faible latence et sans perdre de paquets de données ni consommer trop d'énergie. Les câbles doivent également effectuer cette tâche sans générer trop de chaleur, car le refroidissement requiert également de l'énergie.

Bien qu'un data center contienne des dizaines de types d'équipements, notamment des systèmes de réseau, de refroidissement, de stockage et d'alimentation, dans le cadre de cet article, l'accent sera mis sur le câblage des composants matériels d'un rack de data center classique. Ces composants peuvent être des commutateurs, qui agissent comme des contrôleurs de trafic, et des émetteurs-récepteurs, qui convertissent les données d'un système à un autre.

Câbles pour les data centers d'aujourd'hui

Trois types de câbles sont souvent utilisés pour les communications à haut volume, comme les câbles d'une capacité de 10 Gbps ou, plus modernes, de 400 Gbps. Une connexion Internet domestique typique a une capacité inférieure à 1 Gbps.

Câble CAT6 : fréquent dans les réseaux informatiques pour transporter des trames Ethernet, le câble CAT6 utilise des connecteurs RJ45. Pour la connexion à un équipement de commutateur, il utilise un émetteur-récepteur RJ45 pour convertir les signaux du commutateur en signaux compatibles RJ45 et inversement à l'autre extrémité. Sa latence est d'environ 2,6 ns et il peut fonctionner sur environ 100 m. L'émetteur-récepteur ajoute une consommation électrique d'environ 4 W.

Fibre optique : fréquemment utilisée dans les communications vidéo et audio, la fibre optique trouve également des applications dans les réseaux et les données. Elle utilise des connecteurs optiques et requiert un émetteur-récepteur pour convertir l'électricité en lumière, puis à nouveau en électricité. Après la conversion en lumière, la latence de la fibre optique est d'environ 0,1 ns et elle peut fonctionner sur des centaines de mètres. Cependant, elle est très exigeante : la fibre optique contient du verre ou du plastique peu flexible, et si un grain de poussière se dépose à l'extrémité, la capacité diminue. En outre, elle est coûteuse, surtout si l'on ajoute l'émetteur-récepteur optique, qui augmente la consommation d'énergie d'environ 4 W.

Cuivre à connexion directe (DAC) : le DAC constitue l'option de câblage la plus simple et la plus tolérante. Composé de fils en cuivre, il est particulièrement adapté aux applications à courte distance, comme les composants au sein d'un même rack. Le DAC est économique et flexible, et il peut être utilisé sans émetteur-récepteur lors de la connexion d'équipements compatibles, mais il n'est efficace que sur quelques mètres. De plus, le DAC ne doit pas être utilisé à proximité d'alimentations, de batteries volumineuses ou d'aimants, car il peut subir des interférences.

Les DAC sont disponibles en versions passives et actives. Le DAC passif n'a pas d'émetteur-récepteur et, comme la transmission est passive, il transfère le signal d'origine tel quel. L'absence d'émetteur-récepteur permet de maintenir la consommation d'énergie à un minimum.

Un DAC actif est doté d'émetteurs-récepteurs intégrés qui compensent également la perte de signal potentielle, ce qui en fait un choix plus sûr pour les applications longue distance dans un data center. L'ajout d'éléments électroniques tels que des émetteurs-récepteurs augmente légèrement la consommation d'énergie du DAC actif, généralement d'environ 1 W.

Avantages du DAC pour les data centers

Dans un data center, la latence — le temps nécessaire aux données pour passer d'une source à une autre — doit être aussi faible que possible. De nombreuses applications sensibles au temps, telles que les robots mobiles autonomes (AMR) dans les entrepôts ou le day trading dans la finance, dépendent toutes de décisions prises en une fraction de seconde. L'avantage le plus significatif du DAC est qu'il présente une latence très faible. Cette caractéristique essentielle du DAC est le résultat direct de sa simplicité. Il ne comporte aucun composant intermédiaire complexe par lequel les données doivent passer, ce qui rend les conceptions moins complexes et plus faciles à entretenir.

Le DAC est également une option de câblage abordable, et le DAC passif, en particulier, consomme très peu d'énergie. La principale limitation est la longueur sur laquelle ces câbles peuvent fonctionner sans trop de dégradation des signaux, généralement de l'ordre de quelques mètres. Le DAC n'est pas particulièrement efficace pour la transmission de données sur de longues distances, mais convient bien aux connexions à courte portée au sein d'un même rack ou entre racks. Grâce à sa capacité de flexion, il est particulièrement adapté aux interconnexions denses qui doivent se croiser ou passer dans des coins étroits.

Les assemblages de câbles DAC QSFP-DD 400G série 9V4 de 3M (Figure 1) utilisent la technologie de câble twinaxial de 3M pour créer une solution flexible, pliable et hautes performances. Le facteur de forme QSFP-DD (Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density), une norme matérielle qui facilite des connexions plus rapides, est tout particulièrement remarquable. « SFP » signifie que le câble est d'une forme et d'une taille standard convenant à un équipement réseau. « Q » indique les quatre canaux de données que le câble peut prendre en charge, et « DD » indique la double densité permettant à deux fois plus de données de circuler dans un connecteur de la même taille physique.

Figure 1 : Les assemblages de câbles DAC QSFP-DD 400G série 9V4 de 3M sont particulièrement utiles pour les connexions à faible latence et à courte portée au sein d'un même rack ou entre les racks dans des data centers. (Source de l'image : 3M)

Les câbles DAC tels que la solution 400G QSFP-DD série 9V4 de 3M sont les meilleurs de leur catégorie, capables de gérer des bandes passantes jusqu'à 400 Gbps pour connecter des serveurs, des commutateurs, des périphériques de stockage et d'autres équipements haute vitesse.

Considérations relatives à la conception du câblage pour le DAC dans les data centers

Étant donné que le DAC passif est la solution à faible latence la plus économique pour les data centers, il convient de réfléchir à la manière dont il s'intègre dans les racks d'infrastructure de data centers.

Voici quelques facteurs clés à prendre en compte :

• Compatibilité avec le matériel : étant donné que les câbles doivent être connectés aux émetteurs-récepteurs, aux commutateurs, aux routeurs, etc., il est important de garantir que les sélections sont compatibles avec les systèmes existants et adaptables aux itérations futures. La solution 400G QSFP-DD série 9V4 de 3M est compatible avec la plupart des équipements modernes. Pour les cas où les data centers doivent diviser un port haute capacité en plusieurs connexions de capacité inférieure (comme quatre connexions de 100 Gbps ou huit connexions de 50 Gbps à partir d'une connexion de 400 Gbps), la série est également fournie avec des assemblages de câbles de dérivation.
• Préservation des signaux de données : la conception pour le DAC doit tenir compte du fait que les câbles sont particulièrement sensibles aux interférences électromagnétiques (EMI), notamment celles provenant des câbles et des cordons d'alimentation. Par conséquent, les câbles de données DAC doivent être clairement séparés des câbles d'alimentation.
• Accès aisé pour la maintenance : le placement des câbles doit permettre de faciliter l'accès pour les techniciens de maintenance. Le câblage suspendu, où le DAC est placé en cascade depuis le toit de la pièce, est généralement considéré comme une meilleure option d'accès car le câble n'a pas besoin d'être trop long ni excessivement courbé pour les interconnexions.
• Ventilation et refroidissement efficaces : les piles technologiques dégagent beaucoup de chaleur et les plans de ventilation doivent être pris en compte dans la gestion du câblage DAC. Cela peut affecter la densité de l'équipement et les exigences de câblage associées.
• Évolutivité : les piles technologiques évoluent et le câblage DAC doit pouvoir s'adapter à ces changements. Le regroupement des câbles, et leur étiquetage et leur mise en faisceau efficaces aident les techniciens à gérer ensemble des composants entiers au lieu d'avoir à trier chacun d'entre eux individuellement.

Conclusion

À mesure que l'informatique évolue pour faire place à l'Edge IA, à une virtualisation accrue et aux environnements hyperconvergents, il faut s'attendre à ce que les besoins en équipements matériels connexes changent également.

À l'avenir, il est probable que l'on aura davantage recours au matériel d'apprentissage automatique, aux data centers en périphérie et aux infrastructures distribuées. Le matériel doté de fonctions de sécurité et de durabilité avancées est également en passe de s'imposer. Malgré tout, le DAC restera probablement le câble de prédilection, en particulier pour les interconnexions courtes dans les racks technologiques. Sa latence ultrarapide et son coût global sont imbattables. C'est pourquoi le DAC continuera à être utilisé dans les data centers et au-delà.