Strategie di progettazione termica per transceiver 400G OSFP

Poiché i data center e le reti di comunicazione ad alta velocità richiedono prestazioni sempre maggiori dai moduli ottici, i moduli OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) sono emersi come una scelta primaria per configurazioni di comunicazione ottica 400G, 800G e persino 1.6T grazie alla loro elevata larghezza di banda, alta densità ed eccellenti capacità di gestione termica. La progettazione termica è una delle tecnologie chiave nei moduli OSFP, poiché la struttura termica può influenzare in modo significativo le prestazioni, la stabilità e la durata del modulo.

Che cos'è il modulo ricetrasmettitore OSFP 400G?

Il Modulo transceiver 400G OSFP è un modulo ottico innestabile ad alta velocità, alta larghezza di banda e alta densità. Adotta il packaging OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable). "Octal" si riferisce agli 8 canali contenuti nel modulo. Ciascun canale può supportare una velocità di trasmissione dati di 50 Gbps, consentendo una larghezza di banda totale di 400 Gbps e soddisfacendo i requisiti di trasmissione ad alta velocità dei moderni data center e dei sistemi informatici hyperscale.

Perché i moduli ottici OSFP 400G hanno requisiti termici rigorosi?

I moduli ottici OSFP sono comunemente utilizzati in applicazioni di trasmissione dati ad alta larghezza di banda e alta densità, come interconnessioni di data center e cluster di calcolo ad alte prestazioni. Queste applicazioni pongono requisiti elevati sul controllo del consumo energetico e sulle capacità di gestione termica dei moduli ottici. Con l'aumento delle velocità di trasmissione da 400G a 800G e oltre, la densità di integrazione dei componenti elettronici all'interno del modulo continua ad aumentare, portando a un incremento significativo del calore generato per unità di volume. Pertanto, la progettazione efficiente della dissipazione del calore è diventata una precondizione importante per garantire il normale funzionamento dei moduli ottici OSFP.

Strategie di gestione del calore per moduli ottici OSFP

Design flat-top

Il modulo ottico OSFP flat-top ha una struttura dell'involucro metallico flat-top e non include dissipatori di calore aggiuntivi. La sua dissipazione del calore può essere gestita tramite il raffreddamento dello switch. Il calore generato durante il funzionamento del modulo viene condotto passivamente attraverso l'involucro metallico e dissipato dal flusso d'aria proveniente dai condotti e dalle ventole dello chassis. Grazie alla sua struttura semplice e alle dimensioni standardizzate, il design flat-top offre una buona compatibilità meccanica e un'elevata densità di porte, rendendolo adatto alle implementazioni OSFP 400G in scenari con buone condizioni di raffreddamento dello switch e design del flusso d'aria maturi.

Dissipatore di calore aperto con alette superiori

Il parte superiore alettata aperta il design del dissipatore di calore integra alette metalliche esposte per la dissipazione del calore sulla parte superiore del modulo ottico OSFP, con una spaziatura tra le alette che consente all'aria fredda di passare direttamente attraverso o di fluire lungo i canali delle alette. Questo è un fattore importante che aumenta l'efficienza della dissipazione del calore convettiva. Grazie a una maggiore superficie di dissipazione del calore e a un migliore contatto con il flusso d'aria, questo design abbassa con successo la temperatura operativa dei componenti all'interno del modulo. È generalmente impiegato nei moduli ottici caratterizzati da un maggiore consumo energetico.

Dissipatore di calore chiuso con alettatura superiore

Il design del dissipatore di calore chiuso con alette superiori integra anche alette di dissipazione sulla parte superiore del modulo ottico OSFP, ma la struttura delle alette è parzialmente o completamente racchiusa dall'involucro esterno, consentendo al flusso d'aria di scorrere principalmente lungo la superficie delle alette per la dissipazione del calore. Rispetto al design aperto con alette superiori, questa struttura migliora la dissipazione del calore garantendo al contempo la robustezza meccanica e la protezione del modulo.

Design di dissipazione del calore su entrambi i lati

Per risolvere il problema dell'insufficiente dissipazione del calore sulla superficie inferiore del modulo, alcuni moduli ottici OSFP adottano un design termico a doppia faccia. Ad esempio, alcuni moduli ottici sono dotati rispettivamente di una superficie superiore con heat pipe e di una superficie inferiore con heat pipe sulle superfici superiore e inferiore. Il refrigerante circola internamente e la circolazione del refrigerante avviene tramite tubi di collegamento e una struttura ad anello, migliorando così l'efficienza complessiva di dissipazione del calore.

Materiali e processo di produzione

Per migliorare ulteriormente l'efficienza della dissipazione del calore, la struttura di dissipazione del calore del modulo ottico OSFP impiega materiali ad alte prestazioni e processi di produzione avanzati. Ad esempio, come dissipatore di calore si utilizzano tubi di rame T2 con un diametro di 0.5-4mm e, tramite un processo di piegatura, viene formata una complessa struttura di dissipazione del calore. Inoltre, le superfici degli heat pipe sono stagnate per aumentare l'area di contatto con il corpo del modulo, migliorando così la conducibilità termica.

OSFP vs QSFP-DD: quale offre una gestione termica superiore? 

Il design di grandi dimensioni dell'OSFP gli conferisce un vantaggio significativo nella dissipazione del calore. Grazie al suo involucro metallico ottimizzato e ai canali interni di dissipazione del calore, la sua efficienza di dissipazione termica è superiore di oltre il 30% rispetto a quella del QSFP-DD. Può supportare stabilmente moduli ottici con potenza di 15W o persino superiore, come un modulo ottico a lunga distanza 400G LR4. Quando è abilitata la tecnologia di trasmissione coerente, la potenza raggiunge circa 14W. Il formato OSFP aiuta a mantenere una temperatura operativa inferiore a 65℃, prevenendo il degrado delle prestazioni dovuto al surriscaldamento. Il QSFP-DD ha una dissipazione termica relativamente limitata, quindi è più adatto per applicazioni a bassa e media potenza inferiori a 12W. Ad esempio, nelle interconnessioni a breve distanza tra server e switch all'interno dei data center, i moduli ottici operano solitamente a 8–10W. Il QSFP-DD può gestire pienamente questi requisiti termici sfruttando al contempo il suo design ad alta densità.

Gestione del calore del connettore OSFP nelle applicazioni reali

Data Center

All'interno dei data center, enormi quantità di dati devono essere trasferite ad alta velocità tra server, switch e dispositivi di archiviazione. I moduli ottici OSFP generano in genere un consumo energetico significativo. Il controllo della temperatura è stabile grazie a soluzioni termiche flat-top, alettate e a doppio lato, nonché al flusso d'aria del rack e al raffreddamento ad aria a livello di sistema. Questo risultato garantisce la sostenibilità dei link 400G o 800G con una lunga durata per applicazioni ad alta densità.

Cluster HPC

Nei cluster HPC, lo scambio di dati ad alta velocità e ad alto volume tra nodi di calcolo è essenziale. L'ottica OSFP garantisce stabilità durante il funzionamento in applicazioni ad alta potenza e ad alta densità per un'interconnessione affidabile a supporto delle esigenze di larghezza di banda delle reti interamente ottiche.

Edge computing

Gli scenari di edge computing vengono generalmente implementati in nodi con spazio limitato e condizioni ambientali diverse, imponendo elevati requisiti di stabilità e affidabilità delle apparecchiature. I moduli ottici OSFP possono garantire un funzionamento stabile ad alta larghezza di banda, offrire un'interconnessione ad alta affidabilità e ad alta velocità per i nodi edge e una larghezza di banda efficiente tra la rete locale e la rete core.

Domande frequenti sui moduli ottici OSFP 400G

D: Un pacco alettato più denso può sempre migliorare il raffreddamento?

A: No. Un pacco alette più denso non migliora sempre il raffreddamento. Sebbene una maggiore densità delle alette aumenti l'area di trasferimento del calore, se le alette sono troppo vicine l'una all'altra, causano un blocco nel flusso d'aria e un'eccessiva resistenza al flusso. Questa riduzione del flusso d'aria può anche comportare una perdita complessiva della dissipazione del calore. Un raffreddamento efficace dipende da una progettazione bilanciata delle alette che ottimizzi sia la superficie sia il flusso d'aria, anziché massimizzare solo la densità delle alette.

D: Qual è lo scopo principale della gestione termica nei moduli OSFP?

A: Il raffreddamento dei moduli OSFP è sviluppato per consentire un'efficace dissipazione del calore prodotto da componenti ad alta potenza come laser e chip DSP. Semplicemente eliminando il calore eccessivo, prestazioni e affidabilità possono essere migliorate, prevenendo al contempo danni ai componenti sensibili del sistema.