Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Brugg fand X._ am 23. Juni 2010 wegen Kokainhandels in den Jahren 2001 bis 2003 der qualifizierten Widerhandlung gegen aArt. 19 Ziff. 1 und 2 BetmG schuldig. Es stellte das Verfahren wegen mehrfacher Widerhandlungen gegen das Tierseuchengesetz zufolge Verjährung ein. Das Bezirksgericht sprach eine Zusatzstrafe von 4 Jahren zu den Strafbefehlen des Bezirksamts Aarau vom 22. November 2004 und des Bezirksamts Lenzburg vom 4. Juli 2006 aus.
Das Obergericht des Kantons Aargau wies am 1. September 2011 die Berufung von X._ im Strafpunkt ab.
B. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das obergerichtliche Urteil aufzuheben, ihn gemäss aArt. 19 Ziff. 1 und 2 BetmG schuldig zu sprechen, ihn zu einer Zuchthausstrafe von 24 Monaten zu verurteilen, den Vollzug der Freiheitsstrafe mit einer Bewährungszeit von 3 Jahren aufzuschieben, ihn eventuell zu einer teilbedingten Zuchthausstrafe von 36 Monaten zu verurteilen oder die Sache subeventuell an die Vorinstanz zwecks ausreichender Begründung der Strafe zurückzuweisen. Es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren.

Erwägungen:
1. Die kantonale Berufung richtete sich ausschliesslich gegen die Strafzumessung. In den übrigen Punkten erwuchs das bezirksgerichtliche Urteil in Rechtskraft (angefochtenes Urteil S. 6). Auf den Antrag, den Beschwerdeführer gemäss aArt. 19 Ziff. 1 und 2 BetmG schuldig zu sprechen, ist nicht einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer bringt vor, dem bezirksgerichtlichen Urteil könne die Einsatzstrafe nicht entnommen werden. Die Vorinstanz habe diese Schwäche erkannt, aber nicht behoben. Sie verletze ihre Begründungspflicht. Sie habe die Tatkomponente weit übergewichtet, die Täterkomponente zu wenig berücksichtigt und die Strafempfindlichkeit fehlerhaft beurteilt. Er könne sich als Informatiker im Bankensektor eine jahrelange Freiheitsstrafe überhaupt nicht leisten. Familiär stünden die Beziehung zur Partnerin und zu seinen zwei Kleinkindern auf dem Spiel. Weiter beachte die Vorinstanz das Beschleunigungsgebot ungenügend. Eine leichte Strafminderung genüge nicht. Ferner lege die Vorinstanz nicht dar, weshalb eine bedingte oder teilbedingte Strafe nicht in Frage komme.
3. Die Vorinstanz legt in ihrem Urteil die Grundsätze der Strafzumessung dar. Darauf ist zu verweisen.
3.1 Sie führt aus, der Beschwerdeführer sei mit Strafbefehlen des Bezirksamts Aarau vom 22. November 2004 zu 10 und des Bezirksamts Lenzburg vom 4. Juli 2006 zu 5 Tagen Gefängnis bedingt verurteilt worden. Die Betäubungsmitteldelikte habe er vor diesen Strafbefehlen begangen. Es sei eine Zusatzstrafe gemäss Art. 68 Ziff. 2 aStGB auszufällen. Das Bezirksgericht beziffere die Einsatzstrafe nicht. Angesichts der qualifizierten Zuwiderhandlung gegen das BetmG und der vergleichsweise minder schweren, in den Strafbefehlen beurteilten Straftaten sei davon auszugehen, dass das Bezirksgericht eine hypothetische Strafe für alle Straftaten zusammen gedanklich auf 4 Jahre und 15 Tage festgelegt haben müsse und davon die 15 Tage der rechtskräftigen Strafbefehle in Abzug gebracht habe (angefochtenes Urteil S. 8). Die Vorinstanz geht auch selber von dieser Konzeption aus.
Die Einsatzstrafe ist die Strafe für die schwerste Tat, die nach dem Asperationsprinzip zu erhöhen ist (Art. 68 Ziff. 1 aStGB bzw. <ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 8.1). Das ist hier die Strafe für den qualifizierten Drogenhandel. Bei der Strafzumessung im Rahmen der retrospektiven Konkurrenz (Art. 68 Ziff. 2 aStGB bzw. <ref-law>) hat das Gericht zahlenmässig offen zu legen, wie sich die Strafe zusammensetzt. Ausgehend von der hypothetischen Gesamtbewertung bemisst das Gericht anschliessend unter Beachtung der rechtskräftigen Grundstrafe die Zusatzstrafe. Die Zusatzstrafe ist die Differenz zwischen der hypothetischen Gesamtstrafe und der Grundstrafe (<ref-ruling> E. 8.3).
Die Vorinstanz nimmt somit an, das Bezirksgericht habe die hypothetische Strafe für alle Taten zusammen auf 4 Jahre und 15 Tage festgelegt und anschliessend die insgesamt rechtskräftigen Strafen von 15 Tagen abgezogen. Ob das zutrifft, kann offen bleiben. Die Vorinstanz hatte die Strafe im Berufungsverfahren selber zu bestimmen. Die Gesamtstrafe liegt innerhalb des Ermessens. Das weitere Vorgehen der Vorinstanz, unter Abzug der 15 Tage eine Zusatzstrafe von 4 Jahren festzusetzen, ist folgerichtig und nicht zu beanstanden.
3.2 Die Vorinstanz führt aus, das Verjährungsrecht sei auf den 1. Oktober 2002 revidiert worden. Die qualifizierte Widerhandlung gegen das BetmG sei altrechtlich relativ in 10 und absolut in 15 Jahren verjährt. Nach geltendem Recht sei die Frist 15 Jahre. Der Strafmilderungsgrund von Art. 64 aStGB sei bei naher relativer Verjährung anzunehmen gewesen, jener gemäss <ref-law> sei bei Ablauf von ? der Verjährungsfrist zu berücksichtigen (<ref-ruling> E. 6). Im Zeitpunkt des bezirksgerichtlichen Urteils seien rund 6 1⁄2 Jahre verstrichen gewesen, so dass sich eine Strafmilderung nicht rechtfertige. Ein Verfahren gegen mehrere Beschuldigte benötige mehr Zeit, habe aber hier zu lange gedauert. Dieser Verletzung des Beschleunigungsgebots (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK) sei leicht strafmindernd Rechnung zu tragen (angefochtenes Urteil S. 9).
Es ist nicht zu beanstanden, dass die Vorinstanz auf den Zeitpunkt des bezirksgerichtlichen Urteils abstellt, da der Beschwerdeführer dieses Urteil im Schuldpunkt nicht angefochten hat (vgl. <ref-ruling> E. 3). Die festgestellte Verletzung des Beschleunigungsgebots berücksichtigt auch den Zeitablauf zwischen bezirksgerichtlichem und vorinstanzlichem Urteil.
3.3 Die Vorinstanz hält bei der Festsetzung der Einsatzstrafe für den qualifizierten Kokainhandel zu den Tatkomponenten fest, der Beschwerdeführer habe innert drei Jahren ca. 2 kg Kokain mit einem hohen Reinheitsgrad von 70-80 % verkauft und damit etwa Fr. 200'000.-- erzielt. Er habe als Zwischenhändler mit monetären Motiven gehandelt. Es sei von einer reinen Menge von rund 1 1⁄2 kg auszugehen. Diese liege rund 80 Mal über dem Grenzwert für den schweren Fall (18 g; <ref-ruling>).
Bei der Täterkomponente seien die Vorstrafen wegen Sachentziehung und Widerhandlungen gegen das SVG straferhöhend zu berücksichtigen. Der Beschwerdeführer habe daraus keine Lehren gezogen. Dass er seit Ende 2003 keine Betäubungsmitteldelikte mehr begangen habe, sei neutral zu gewichten (Urteil 6B_87/2010 vom 17. Mai 2010 E. 5.4). Er habe sich teilweise geständig und kooperativ gezeigt, aber die Kokainmenge trotz gegenteiliger Aussagen der Käufer bestritten. Dieses Verhalten wirke nicht straferhöhend, könne aber auch nicht wie bei einem geständigen und einsichtigen Täter beurteilt werden. Seine Strafempfindlichkeit erscheine leicht erhöht. Die Verbüssung der Freiheitsstrafe sei allgemein mit einer Härte für das Familien- und Berufsleben verbunden. Erheblich strafmindernd könne dies nur bei aussergewöhnlichen Umständen wirken (Urteil 6B_1037/2009 vom 20. Januar 2010 E. 4.3).
Diese Strafzumessung verletzt kein Bundesrecht. Der Betäubungsmittelmenge und der hierarchischen Stellung des Täters kommen beim Drogenhandel wesentliches Gewicht zu. Das Bezirksgericht sprach den Beschwerdeführer der mengenmässig schweren Widerhandlung im Sinne von aArt. 19 Ziff. 2 lit. a BetmG schuldig und liess offen, ob er auch im Sinne von aArt. 19 Ziff. 2 lit. c BetmG wegen des angeklagten gewerbsmässigen Handels zu verurteilen wäre (bezirksgerichtliches Urteil S. 10). Bei einem Umsatz ab Fr. 100'000.-- ist diese Qualifikation gegeben (<ref-ruling> E. 3.1.3). aArt. 19 Ziff. 2 BetmG ist eine Strafzumessungsregel, die allein an die erhöhte Intensität der Rechtsgutsverletzung anknüpft (<ref-ruling> E. 3.3). Der Beschwerdeführer hatte einen hohen Verkaufserlös von etwa Fr. 200'000.-- erzielt (angefochtenes Urteil S. 9). Diese Strafzumessungstatsache wirkt sich neben der grossen Betäubungsmittelmenge zusätzlich erheblich straferhöhend aus.
Die Täterkomponenten und dabei insbesondere das Nachtatverhalten sowie die Strafempfindlichkeit vermögen eine mildere Strafe nicht zu begründen. Auch besteht keine schwerwiegende Verletzung des Beschleunigungsgebots. Die Vorinstanz berücksichtigt die Verfahrensdauer hinreichend (oben E. 3.2). Sie verbleibt mit der Ausfällung einer Zusatzstrafe im unteren Bereich des Strafrahmens von 1 bis 20 Jahren im Rahmen des ihr zustehenden weiten Ermessens (<ref-ruling> E. 2.1). Die Strafe ist nachvollziehbar begründet (<ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 2.1).
Der Einwand des Beschwerdeführers, es sei nicht klar, wie die Vorinstanz auf eine "Einstiegsstrafe" von 4 Jahren komme, sie scheine davon rein gefühlsmässig auszugehen (Beschwerde S. 12), ist nicht stichhaltig. Die Vorinstanz begründet, weshalb sie von einem schweren Tatverschulden ausgeht. Dieses würde durchaus eine höhere Strafe rechtfertigen. Eine solche kam aber bereits wegen des Verschlechterungsgebots nicht in Betracht.
3.4 Bei diesem Strafmass kommt weder altrechtlich der bedingte (Art. 41 Ziff. 1 aStGB) noch nach neuem Recht der bedingte (<ref-law>) oder teilbedingte (<ref-law>) Vollzug der Freiheitsstrafe in Betracht. Damit musste sich die Vorinstanz nicht auseinandersetzen.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist wegen Aussichtslosigkeit der Rechtsbegehren abzuweisen (<ref-law>). Der Beschwerdeführer lebt in schlechten finanziellen Verhältnissen (angefochtenes Urteil S. 13). Seiner finanziellen Lage ist mit herabgesetzten Gerichtskosten Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 und Art. 66 Abs. 1 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 19. März 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Briw