AOC与DAC在AI数据中心短距互联中有何差异？

AI训练集群里，服务器与交换机之间、交换机与交换机之间，存在大量几米到几十米的短距互联，单条链路的速率已经从100G、200G走到400G和800G。这类连接可选的方案主要有两种，一种是直连铜缆DAC，一种是有源光缆AOC。两者的接口封装相同，插入交换机端口后的使用方式也一致，内部的工作原理和适用边界却相差不少。下面从结构、距离、功耗时延、机械特性和选型几个方面逐项梳理。

一、DAC与AOC的基本结构与工作方式

DAC由一段双轴铜缆和两端的连接器外壳构成，无源型号内部不含任何有源芯片，电信号从交换芯片的SerDes出来，经过端口、铜缆直接到达对端，全程保持电信号形态。铜缆采用屏蔽的双轴结构，每个通道使用一对差分线，400G的QSFP-DD接口有8个通道，就需要8对发送线和8对接收线，线径常见为26到30 AWG，线径越粗，损耗越低，缆线也越硬。

AOC的两端各有一个完整的光电转换模块，中间是一段固定连接的光纤，模块内部包含VCSEL激光器、光电探测器和驱动、接收芯片。电信号在发送端转成850 nm的光信号，经过多模光纤传输，到接收端再还原为电信号。光纤与模块在出厂时已经封装为一体，端面不会暴露在外，现场不需要处理光纤连接器，这一点与常规的光模块加跳线的组合有所区别。还有一种介于两者之间的AEC有源铜缆，在铜缆两端加入了重定时芯片，用来补偿信号损耗，功耗和距离都处在DAC与AOC之间。

二、传输距离与信号速率的对应关系

DAC的距离受铜缆损耗限制，随着速率提高而缩短。10G的SFP+ DAC可以到7 m，25G的SFP28通常为3到5 m，100G的QSFP28约为3到5 m，IEEE 802.3ck定义的100G单通道铜缆接口，包括100GBASE-CR1、200GBASE-CR2和400GBASE-CR4，覆盖距离均为2 m左右，800G的DAC则在1到2 m的量级。

原因在于信号的奈奎斯特频率。25G的NRZ信号，奈奎斯特频率约为12.9 GHz，100G单通道的PAM4信号，符号速率为53.125 GBd，奈奎斯特频率提高到26.56 GHz，铜缆的损耗随频率上升而明显增大，能容纳的线缆长度也就随之缩短。AOC的情形不同，多模光纤在850 nm的衰减约为3 dB/km，几十米的长度上损耗不到0.3 dB，限制距离的主要是光纤的模式带宽，OM3光纤上通常可到70 m，OM4光纤上可到100 m，常见产品的规格覆盖1到100 m，同样的速率下，AOC的覆盖范围比DAC大了一个数量级。

三、功耗、时延与散热

功耗方面的差别最直接。无源DAC不含有源器件，单端功耗一般在0.1 W以下，可以近似当作零。AOC的每个端口都带有光电转换电路，100G QSFP28 AOC单端约为1.5到2.5 W，400G的QSFP-DD AOC每端在8到10 W上下，一条链路两端合计接近16到20 W。以一个规模为一万条400G链路的集群来估算，若全部使用AOC，仅线缆两端的功耗就达到160 kW以上，还不包含机房制冷带来的附加电耗，功耗的差别在大规模部署时会被放大。

时延方面，铜缆里电信号的传播速度约为光速的70%到80%，每米时延约4.5到5 ns，光纤中光速约为真空光速的三分之二，每米约5 ns，两者的传播时延相差不大。AOC多出的部分来自光电转换模块内部，不带DSP的线性方案增加的时延很小，带DSP的方案则会增加数十到上百纳秒。对于训练任务里对尾部时延敏感的集合通信来说，链路的这部分开销也在考虑范围之内，不少集群因此把最短的一跳尽量交给DAC完成。

四、布线密度、重量与机械特性

400G、800G的DAC由于线径较粗，为了保证信号完整性使用26到28 AWG的线缆，外径往往在七八毫米的量级，2 m长的一根就有几百克，弯曲半径也大，密集布线时容易占满机柜侧面的走线通道，并且挤占前部的进风空间，对风冷散热不太友好。液冷机柜里，气流的限制有所缓解，但线缆的重量和刚性，依然会对端口产生拉力，需要用理线架配合固定。

AOC的光纤部分很细，缆线外径一般在3 mm左右，重量轻，弯曲半径小，柔软程度好得多，在走线空间紧张的场合处理起来更容易。光纤对电磁干扰不敏感，与动力线、电源线并行走线时，不需要额外考虑串扰的问题，铜缆则依赖屏蔽层来抵抗干扰。

五、成本、可靠性与选型思路

成本方面，无源DAC的价格较低，同样长度下，AOC的价格通常是DAC的几倍，AEC居中，这一点在几万条链路的集群里对总投入的影响非常明显。可靠性方面，DAC没有有源器件，失效点少，平均无故障时间更长，AOC的激光器和电路存在老化的可能，但VCSEL的寿命指标已经比较成熟，正常使用下的故障率也在可控范围内。AOC坏了需要整条更换，不能只换其中一端，这一点和光模块加光纤跳线的组合方式不同。

综合起来，选型的逻辑相对清晰。机柜内部或相邻机柜、距离在2 m以内，优先选择DAC，功耗、成本和可靠性都占优。距离在3到7 m之间，可以考虑AEC，线径更细，功耗又不及AOC。超过这个距离，进入几十米的范围，就是AOC和光模块加跳线的天下，其中AOC安装方便，光模块加跳线则更加灵活，便于后续升级。同一个集群里，往往是几种方案并存，各自负责合适的距离档位。

六、快问快答

Q：高密度液冷机柜里，400G的DAC线缆粗、重，会带来哪些实际问题？

A：主要是端口受力和走线空间两方面。一根2 m长的400G DAC重量可达数百克，靠线缆自身重量悬挂在端口上，长期会对连接器产生拉力，端口的接触状态也随之改变，所以通常需要在机柜侧面加装理线架，把线缆的重量分担到支架上。走线空间上，一台交换机有32到64个端口，同时插满粗线缆，侧面的通道会被占满，遮挡设备的维护通道。液冷方案减少了对风道的依赖，情况有所缓解，但空间依然有限，所以不少新机柜采用更细的AEC，或者把DAC限定在最靠近的两台设备之间，稍远的连接转为AOC来处理。

Q：为什么很多集群在几十米的互联里，选择AOC，而不是光模块加光纤跳线？

A：主要有三个原因。第一是免除端面清洁，AOC的光纤端面封装在模块内部，现场不需要清洁和检查端面，光模块加跳线的方案里，端面污染是链路误码的常见来源之一，插拔前后都需要处理。第二是简化管理，一条AOC就是一个物料，不需要匹配光模块与光纤的型号、芯数和极性，采购和备件管理更简单。第三是成本，在几十米以内，AOC的整体价格与光模块加跳线相近，甚至略低。缺点是灵活性较差，长度固定，线缆不能后续复用于更高速率，升级时要整条更换，因此更适合长度明确、短期内不需要变动的场景。

Q：同样是DAC，为什么100G时可以到5 m，到了400G却只有2 m左右？

A：这个问题比较冷门，原因在于调制方式和通道速率的变化。100G的QSFP28使用4个25G的NRZ通道，奈奎斯特频率约为12.9 GHz。400G里每个通道升级到100G PAM4，奈奎斯特频率提高到26.56 GHz，铜缆的损耗随频率增大，同样长度的线缆，损耗大约增加了一倍以上。同时PAM4有四个电平，眼图的高度只有NRZ的三分之一，信噪比要求相应提高约9.5 dB，对损耗更加敏感。两方面的因素叠加，可用的铜缆长度自然大幅缩短，也是AEC、AOC和液冷机柜内紧凑布局在400G、800G时代变得越来越重要的技术背景。

Q：AOC内部的光学接口没有统一的IEEE标准，这会带来什么使用上的影响？

A：这是AOC与标准光模块之间的一个差别。IEEE 802.3对SR4、DR4这类光模块的光学指标、波长和距离都有明确规定，不同厂家的光模块只要符合标准就能互通，AOC则属于厂商整体封装的产品，两端模块和光纤在出厂时匹配好，只要电接口符合各项MSA规范，对外表现就是一个电气端口，内部的光学参数不需要对外统一。这带来的影响是，AOC不能与其他厂家的光模块直接互连，也不能拿其中一端去对接标准的SR模块。另外部分交换机对线缆的编码有兼容性检查，采购时需要确认厂家提供的兼容性列表，这在多品牌设备混合组网的AI集群里，是一个需要提前确认的事项。