Nubis 报告：高速短距互连的铜缆、光缆及连接器

在现代数据中心和高性能计算领域，随着数据传输速率的不断提升，传统的铜缆和光学连接技术面临着新的挑战和机遇。本文将探讨在短距高速应用中，线缆、连接器和铜连接的现状、挑战和未来发展方向。 ◆ 技术背景与现状 随着数据速率的提升，特别是在200Gbps以上的应用中，传统的DAC（Direct Attach Copper）电缆已经逐渐无法满足需求。根据Amphenol公司的数据，不同数据速率下，DAC、ACC（Active Copper Cable）、AEC（Active Electrical Cable）和光学电缆的传输距离和性能表现各有不同。3m可以说是一个关键的边界点，覆盖了柜内和柜间的大部分场景。在3米的传输距离上，DAC在PCIe Gen 5和以太网100G/lane的应用中已经无法满足需求，而ACC和AEC则表现出更好的性能。然而，随着速率的提升，即使是ACC和AEC也面临着传输距离和功耗的挑战。

◆ 100G电缆现状 DAC在16×100G等效的传输距离为3米，功耗为0W，尺寸为26AWG，成本为500美元。而ACC在相同的传输距离下，功耗为6W，尺寸为28AWG，成本为1200美元。AEC和AOC则在更长的传输距离上表现出更好的性能，但成本也相应更高。值得注意的是，随着速率从100G提升到200G，AEC的传输距离减半，功耗翻倍，与光缆相似，但传输距离并没有比ACC有显著优势。

◆ 前端/后端布线与高密连接方案

在数据中心的布线中，前端和后端的布线需求有所不同。前端布线通常涉及网络跨越机架、行、数据中心等，而光学和铜缆共享相同的物理端口(OSFP)。然而，大多数端口实际上是铜缆，而不是光模块接口。后端布线则主要在机箱内部和背板上，几乎全部使用铜缆。这种布线方式的挑战在于，如何在有限的空间内实现高密度的连接，同时保持信号的完整性和低功耗。

为了应对上述挑战，业界对新的高密度连接器产生了浓厚的兴趣。传统的可插拔模块形态（如GBIC）已经使用了25年，但随着数据速率的提升，这些形态在速度和功率方面已经达到了极限。新的高密度2D电气接口形态应运而生，这些接口不仅支持电气连接，还支持光学连接，具有更高的密度和可扩展性。

传统的前面板可插拔模块通常使用1D或1.5D电气接口，这些接口存在信号完整性差、难以扩展通道数量和速率等问题。而2D接口则通过使用LGA、夹层连接器、fly-over 插座和背板连接器等技术，显著改善了信号完整性，并支持更高的通道密度和速率。

为了推动2D电气阵列接口的广泛应用，业界正在努力标准化这些接口。标准化的目标包括同时支持电气和光学连接，可扩展到400Gbps/通道，并满足特定的应用场景需求。例如，在可插拔CPO（Copper Pluggable Optics）中，逃逸带宽密度需要达到1Tbps/mm以上，而在前面板通道密度方面，需要支持4x OSFP以上的密度。

目前如安费诺、Samtec(DesignCon 2025：Samtec/博通的200G PAM4共封装连接器(CPC))、Luxshare(OCP 2024：立讯精密224G/448G共封装铜互连(CPC)解决方案)和TE等都展示了性能优越的高密度连接器。这些连接器在差分对数量、阵列深度和带宽密度方面各有优势。

例如，Samtec和立讯的两种CPC在8行200Gbps的配置下，带宽密度达到＞400Gbps/mm，而在8行400Gbps的配置下，带宽密度更是达到＞800Gbps/mm。

◆ 前面板可插拔设备的挑战 前面板可插拔设备需要支持更多的通道数量，如16、32、64和128通道，这对应于32DP、64DP、128DP和256DP的配置。这些设备需要在有无flyover电缆的情况下都能正常工作。为了实现这一目标，业界正在探讨是否可以标准化相同的形式因素，以满足不同的应用场景需求。

在可插拔模块的形态设计中，OSFP模块的间距为14.9mm x 23.23mm。新的模块横截面设计包括1xOSFP、2xOSFP和4xOSFP，这些设计允许在1RU机箱内实现1024个通道的高密度配置。这种设计不仅提高了通道密度，还为未来的扩展提供了可能性。

在焊盘密度方面，4x OSFP的通道密度在0.7-0.8mm的焊盘间距下是可行的。这为高密度连接器的设计提供了实际的指导。通过优化焊盘间距和阵列深度，可以实现更高的通道密度和带宽。

为了实现这些目标，业界正在研究多种选项，比如TE提出的使用底部连接器放松引脚间距的设计，在有限的空间内实现高密度的连接。

◆ 模块供电电压的重新思考 传统模块供电电源都是3.3V，随着互连密度的增加，大家也在探索12V供电的方案。12V供电可以通过从顶部、底部和侧面提供电源和控制，实现更高效的设计。这种设计不仅节省了空间，还提高了电源和控制的灵活性，实现光缆和铜缆的兼容

◆ 功耗和热管理设计 功耗和热管理也是一个重要的考虑因素。通过使用不同的冷却方式，如空气冷却、模块冷板和模块内液体冷却，可以实现更高的功率密度。例如，空气冷却的最大功率为30W，而模块内液体冷却的最大功率可以达到80W。

功耗对通道数量的限制也是一个关键问题，甚至比连接器密度问题还要严重。在不同的OSFP尺寸和通道数量下，功耗表现出显著的差异。例如，在1xOSFP尺寸下，16通道（32DP）在200Gbps时的功率耗散为16W，而在400Gbps时则增加到32W。在4xOSFP尺寸下，128通道（256DP）在200Gbps时的功率耗散为128W，而在400Gbps时则增加到256W。这些数据表明，随着通道数量和速率的增加，功率耗散成为一个越来越重要的限制因素。 综上所述，随着数据速率的不断提升，传统的铜缆和光学连接技术面临着新的挑战。通过引入新的高密度2D电气阵列接口、标准化形式因素和优化模块设计，可以有效应对这些挑战，实现更高的通道密度和带宽。同时，功率和热管理也是不可忽视的重要因素，需要通过创新的冷却技术和设计优化来解决。未来，随着技术的不断进步，这些领域将迎来更多的突破和发展。