今日のデータセンター向けケーブルソリューション

パイプがガスや石油を運ぶように、ケーブルはコンピューティングの基本要素であるデータを運びます。

データおよび通信機器に必要なケーブルの種類は、伝送するトラフィックの種類や移動距離など、さまざまな要素によって異なります。たとえば、データストレージ用のケーブルは、コンピュータからストレージスイッチを経由してストレージユニットにトラフィックを伝送し、ネットワークトラフィック用のケーブルは、コンピュータからネットワークスイッチを経由してルータにデータを伝送します。通信トラフィックは、セルタワーやケーブルボックスから中央局へと移動します。それぞれに異なる種類のケーブルが必要になります。

距離も重要です。ケーブルは、同じサーバラック内、あるいは建物内の異なるラックや部屋の間など、非常に短い距離で使用されることもあります。それでも、敷地全体に敷設され、何マイルにもわたって使用されるケーブルも必要です。

長年にわたり、ケーブルに関する決定は、データセンターの急速な成長により、ますます重要性を増してきました。

データセンターの台頭

AI革命は高速データセンターを基盤としており、このデータセンターはアプリケーションのコンピューティングのバックボーンとして機能しています。AIの急激な成長に伴い、データセンターに対する需要も増加しています。McKinseyの予測によると、少なくとも2030年までは、米国だけでもデータセンターの需要は10%増加する見込みです。さらに、Dell’Oro Groupのレポートによると、AIサーバの需要増が主な要因となり、データセンターの設備投資額は2024年第2四半期だけで50%近く増加しました。

高速コンピューティングに対する飽くなき需要に応えるには、データセンターの数を増やすだけではもはや十分ではありません。データセンター内および相互接続によるデータセンター間の情報伝送において、高性能サーバのスループットの向上も求められています。かつては100Gネットワークが標準でしたが、現在では400Gの導入がより一般的になりつつあり、IIoT、クラウドコンピューティング、AIの普及がその採用を促進しています。データセンターのもう1つの動向として、エネルギー消費量の削減に対する要求の高まりがあります。つまり、データ転送速度の向上とエネルギー効率の改善が求められているのです。

より高性能でエネルギー効率の高いコンピューティングへのニーズの高まりは、データセンターのケーブルにどのような影響を及ぼすのでしょうか。最も基本的なレベルでは、ケーブルはデータを素早く、低レイテンシで伝送し、データパケットの損失や過剰な電力消費を発生させることなく、伝送する必要があります。また、冷却にもエネルギーが必要であるため、ケーブルは発熱を抑えながらデータを伝送しなければなりません。

データセンターには、ネットワーク、冷却、ストレージ、電源システムなど、何十種類もの機器がありますが、この記事では、典型的なデータセンターラックのハードウェアコンポーネントへのケーブル配線に焦点を当てます。これには、トラフィックコントローラのような役割を果たすスイッチや、あるシステムから別のシステムへデータを変換するトランシーバなどが含まれます。

今日のデータセンターのケーブル

容量10Gbpsや最新の400Gbpsといった大容量通信には、3種類のケーブルが一般的に使われています。一般的な家庭のインターネット接続は1Gbps未満です。

CAT6ケーブル：Ethernetフレームを伝送するためにコンピュータネットワークで一般的に使用されており、RJ45コネクタを使用しています。スイッチ機器に接続するには、RJ45トランシーバを使用してスイッチからRJ45互換の信号に変換し、もう一方の端では、信号を再び変換する必要があります。レイテンシは約2.6nsで、約100メートルまで伝送可能です。トランシーバの追加により、消費電力は約4W増加します。

光ファイバ：ビデオおよびオーディオ通信で一般的ですが、ネットワークやデータにも応用されています。光ファイバには光コネクタが使用され、電気を光に変換し、再び電気に変換するにはトランシーバが必要です。光ファイバは、いったん光に変換されると、レイテンシは約0.1nsとなり、何百メートルでも伝送が可能です。しかし、光ファイバはガラスやプラスチックでできており、曲げに弱く、端部にほこりが付着すると容量が低下します。また、光トランシーバを追加すると、特に高価になります。光トランシーバの追加により、消費電力は約4W増加します。

Direct-attached copper（DAC）：DACは最もシンプルで耐性のあるケーブルオプションです。銅線で構成されているため、同じラック内のコンポーネントなど、短距離の用途に最適です。DACは低コストで柔軟性があり、互換性のある機器を接続する場合はトランシーバなしでも使用できますが、数メートルしか使用できません。また、DACは干渉の影響を受ける可能性があるため、電源、大型バッテリ、磁石の近くには設置しないでください。

DACには「パッシブ」と「アクティブ」があります。パッシブDACにはトランシーバがなく、伝送はパッシブなので、元の信号をそのまま伝送します。トランシーバがないため、消費電力を最小限に抑えることができます。

アクティブDACにはトランシーバが組み込まれており、潜在的な信号損失も補償されるため、データセンターにおける長距離アプリケーションにはより安全です。トランシーバなどの電子部品が追加されることで、アクティブDACの電力使用量は通常約1W増加します。

データセンターにおけるDACの利点

データセンターでは、レイテンシー（データがソースから別のソースに移動するまでの時間）を可能な限り短くする必要があります。倉庫の自律型移動ロボット（AMR）や金融のデイトレードなど、多くの時間的制約のあるアプリケーションは、すべて一瞬の判断で実行されます。DACの最も大きな利点は、レイテンシが非常に低いことです。DACのこの重要な特徴は、そのシンプルな設計によって実現されています。データが通過しなければならない複雑な中間コンポーネントが一切ないため、設計が複雑にならず、メンテナンスも容易です。

DACは手頃な価格のケーブルオプションでもあり、特にパッシブDACは消費電力が非常に少ないという特徴があります。最大の制約は、信号の劣化が少ない状態で動作可能なケーブルの長さであり、通常は数メートル程度です。長距離のデータ伝送には最適ではありませんが、同じラック内やラック間の短距離接続には最適です。DACは曲げることができるため、互いの間を通ったり、狭い角を曲がったりする必要のある高密度の相互接続に特に適しています。

3M 9V4シリーズ 400G QSFP-DD DACケーブルアセンブリ（図1）は、3Mのツインアキシャルケーブル技術を活用し、柔軟で折りたたみ可能な高性能ソリューションを実現しています。特に注目すべき特徴は、QSFP-DD（Quad Small Form-Factor Pluggable Double Density）フォームファクタです。これは、より高速な接続を可能にするハードウェア規格です。「SFP」は、ネットワーク機器に接続する標準的な形状とサイズのケーブルであることを意味します。「Quad」は、ケーブルがサポートする4つのデータチャンネルを示します。「Double Density」は、同じ物理的サイズのコネクタで2倍のデータ量を流すことを可能にします。

図1：3M 9V4シリーズ 400G QSFP-DD DACケーブルアセンブリは、データセンター内の同一ラック内またはラック間の低レイテンシの短距離接続に特に有効です。（画像提供：3M）

結果として、3M 9V4シリーズ 400G QSFP-DDなどのDACケーブルは、サーバ、スイッチ、ストレージ、その他の高速機器を接続する際に、最大400Gbpsの帯域幅に対応できるクラス最高の製品です。

データセンターにおけるDACケーブル設計の考慮事項

パッシブDACはデータセンターに最適な最も経済的で低レイテンシのソリューションであるため、データセンターのインフララックにどのように統合するかを検討する価値があります。

考慮すべき重要な要素を下記にいくつか挙げます。

• ハードウェアとの互換性：ケーブルはトランシーバ、スイッチ、ルータなどに接続する必要があるため、既存のシステムと互換性があり、今後の改良にも対応できるものを選ぶことが重要です。3M 9V4シリーズ 400G QSFP-DDは、現在のほとんどの機器と互換性があります。データセンターで大容量ポートを複数の低容量接続に分割する必要がある場合（400Gbpsのポートから4つの100Gbps接続や8つの50Gbps接続など）、このシリーズにはブレークアウトケーブルアセンブリも用意されています。
• データ信号の保護：DACの設計では、ケーブルが特に電源コードやケーブルからの電磁妨害（EMI）の影響を受けやすいことを考慮しなければなりません。したがって、DACデータケーブルは電源ケーブルと明確に分離する必要があります。
• メンテナンス作業の容易性：ケーブルの配置は、メンテナンス技術者が簡単にアクセスできることを考慮すべきです。DACが部屋の天井からカスケード接続されるオーバーヘッド配線は、相互接続用にケーブルをあまり長くしたり、複雑に折り曲げたりする必要がないため、アクセスには通常、より良いオプションと考えられます。
• 効率的な換気と冷却：技術スタックは大量の熱を発するため、DACケーブルの管理には換気計画を考慮する必要があります。これは、機器の密度や関連するケーブル要件に影響を与える可能性があります。
• 拡張性：技術スタックは変化するため、DACケーブルはそうした変化に対応できなければなりません。ケーブルをグループ化し、効率的にラベル付けして束ねておけば、技術者は個々のケーブルを個別に整理する必要がなくなり、すべてのコンポーネントをまとめて管理しやすくなります。

まとめ

エッジAI、仮想化の拡大、ハイパーコンバージド環境においてコンピューティングが進化する中で、関連ハードウェア機器のニーズも変化することが予想されます。

将来的には、機械学習ハードウェア、エッジデータセンター、分散型インフラの使用がさらに増えると考えられます。高度なセキュリティと持続可能性を備えたハードウェアも、そう遠くない将来に実現するでしょう。このような状況下でも、DACは、特に技術ラック内の短い相互接続において、選択されるケーブルであり続けるでしょう。非常に低いレイテンシと優れたコスト効率は他に類を見ません。その結果、DACはデータセンター内外で引き続き利用されるでしょう。