Dells Rack-Server für das High Performance Computing mit den Twin-Axial-Kabeln von 3M

So sieht der neue Rack-Server Power-Edge C4130 von Dell aus. 3M

„Wir mussten uns ganz anderen Herausforderungen stellen als sonst bei der Kabelentwicklung üblich“, bringt es Corey Hartman, Konzeptplaner und Maschinenbauingenieur bei Dell, auf den Punkt. Es gab konkrete Ziele in Bezug auf Mechanik, Wärme und Elektrik. Bei den Power-Edge-Servern C4130 von Dell kommt die Twinaxial-Kabelgarnitur von 3M zum Einsatz. Sie verbessert den Luftstrom und damit die Kühlung, um die Geschwindigkeiten und die Ansprüche an die Rechenlast, die in HPC-Umgebungen zu erfüllen.

„Unsere Überlegungen dabei waren: Kann man mehr GPU-Beschleuniger in einem Server unterbringen, muss man weniger Server anschaffen, um seine Arbeitslast zu bewältigen“, so Hartman weiter. „Das bedeutet gleichzeitig eine Reduzierung der für die Zielerreichung erforderlichen Betriebskosten. Das war der erste Punkt. Zweitens kann ein dicht gepackter Server mit GPU-Beschleunigern an der Vorderseite, die potenziell weit weg von den Hauptprozessoren (CPUs) untergebracht sind, gute Wärme- und Leistungsvorteile bieten. Dann brauchten wir zum Schluss noch eine Architektur mit der notwendigen Flexibilität für den Einsatz in den unterschiedlichen Konfigurationen der PCI-Bandbreite und Softwarearchitekturen im HPC-Anwendungsszenario. Das waren unsere Hauptziele.“

Das flache Profil der Twin-Axial-Kabelgarnituren ermöglicht Platzeinsparungen in dicht gepackten Serversystemen. Das bieten den Technikern einen größeren Spielraum bei der Entwicklung von Serverarchitekturen. Dell

Die Problematik

Dell entschied sich, vier leistungsstarke GPU-Beschleuniger nebeneinander ganz vorn in einem 4,45 cm (1,75 Zoll) hohen und 91,4 cm (3 Fuß) langen 1HE-Rack-Server zu platzieren.
Die Twinaxial-Kabelgarnitur ist ein längsseitig abgeschirmtes Flachbandkabel, das sich ohne Beeinträchtigung der elektrischen Leistung knicken und falten lässt. Für das Vorhaben eignete sich diese Kabelkonstruktion in Bezug auf Biegeradius, Signalintegrität, Verlegeeigenschaften und allgemeine Routingfähigkeit besser als andere Optionen.

Die Twinaxial-Kabelgarnituren lassen sich vom Faltdesign so ausgelegen, dass der Luftstrom möglichst gering behindert wird. Das Kabel kann sich zwischen den Prozessoren, Kühlkörpern und Lüfter entlang schlängeln: So bleibt Platz für Komponenten oder für die Luftkühlung frei. „Wir sind in der Lage, ein mit GPUs dicht bestücktes Gehäuse zu gestalten, wobei statt der vorgewärmten Luft, wie bei typischen GPU-Systemen üblich, Raumluft an den GPUs vorbeiströmt“, erklärt Hartman. „Dieser Unterschied ermöglicht das Maximum an Leistung und Zuverlässigkeit im Rechenzentrum.“

Das ultraflache, faltbare Design der Twin-Axial-Kabelgarnitur optimiert den Luftstrom und damit die nötige Kühlung für die hohen Geschwindigkeiten und die Rechenleistung in HPC-Umgebungen. Dell

Das Twinaxial-Kabel von 3M ist mit weniger als 0,9 mm dünn. Die Hochgeschwindigkeitskabel, die man üblicherweise in HPC-Servern findet, sind sehr dick – einige der PCIe-Garnituren mit vier Kanälen weisen Kabelbündeldicken von 6 bis 12 mm auf.

Tests zeigen, dass sich jeder Knick (180° Faltung bei 1 mm Biegeradius) an der Knickstelle mit ungefähr 0,5 Ohm (70 ps 20/80 % Anstiegszeit) auf die Impedanz auswirkt. Damit wird selbst strengen Impedanzvorgaben immer noch Genüge getan. Das Kabel qualifiziert sich für die derzeitigen und zukünftigen seriellen Hochgeschwindigkeitsübertragungsstandards wie SAS 2.1, PCI Express, Ethernet, Infiniband, SFP+, QSFP/QSFP+ und andere.

„In diesem Gehäuse würden es herkömmliche Kabel als PCI-Bus nicht tun. Doch die 3M-Technologie bot uns die Flexibilität, verschiedene Konfigurationen zu entwickeln. Und ermöglichte uns unterschiedliche Optionen für die Datenwege.“

Im Portfolio des Power-Edges kommt die Twin-Axial-Kabelgarnitur von 3M zum Einsatz, um die Kühlung durch optimierten Luftstrom zu verbessern. So kommen die hohen Geschwindigkeiten und Rechenleistungen zustande, die in der HPC-Umgebung erforderlich sind.
3M

Die richtige Anpassung

Um die Twinaxial-Kabel-Technologie individuell an den Power-Edge C4130 Rack Server anzupassen, kombinierte 3M die Konstruktion mit Vorserien-Modellierung und Nachweis der mechanischen Passung. Dabei mussten sie sich mit den räumlichen Anforderungen im Servergehäuse von Dell vertraut machen: „Bei der Pin-Belegung, Leiterplattenauslegungen und einem mechanischen Servermodell arbeiten wir an Lösungen, die Luftstromstörungen minimieren sollten, ohne dabei den Aspekt der Fertigbarkeit (sprich Design für Manufacturability) aus den Augen zu verlieren“, berichtete Mark Lettang, Interconnect Applications Engineer in der 3M Electronics Materials Solutions Division.

Das erforderliche Pinout für mehradrige Kabelgarnituren zu wahren, wenn es mehrfach gefaltet wird, kann alles andere als einfach sein: Für ein vieradriges Kabel gibt es mehrere Hundert Pinout-Kombinationen, von denen nur eine richtig ist.

Nach Festlegung der richtigen Pin-Belegungen gingen die 3M-Techniker zu einem mechanischen Modell über. Damit ließ sich die Eignung des Kabeldesigns auf den Prüfstand nehmen.
„An einigen Stellen werden acht Kabel übereinander gestapelt“, beschreibt Lettang. Durch die Kabelverlegung durch 3M ließen sich laut Hartman die wichtigsten Designziele beim Power-Edge C4130 rechtzeitig erreichen.

(jck)