Стратегии теплового проектирования трансиверов 400G OSFP

Поскольку центрам обработки данных и высокоскоростным сетям связи постоянно требуется более высокая производительность оптических модулей, модули OSFP (Octal Small Form-factor Pluggable) стали основным выбором для оптических коммуникационных систем 400G, 800G и даже 1.6T благодаря высокой пропускной способности, высокой плотности и отличным возможностям управления тепловыделением. Тепловая конструкция является одной из ключевых технологий в модулях OSFP, поскольку тепловая структура может существенно влиять на производительность, стабильность и срок службы модуля.

Что такое трансиверный модуль OSFP 400G?

Этот Трансиверный модуль OSFP 400G представляет собой высокоскоростной подключаемый оптический модуль с высокой пропускной способностью и высокой плотностью. В нем используется корпус OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable). «Octal» означает 8 каналов, содержащихся в модуле. Каждый канал поддерживает скорость передачи данных 50 Gbps, обеспечивая общую пропускную способность 400 Gbps и удовлетворяя требованиям высокоскоростной передачи данных современных центров обработки данных и гипермасштабируемых компьютерных систем.

Почему оптические модули OSFP 400G Ha предъявляют строгие требования к температурному режиму?

Оптические модули OSFP обычно используются в приложениях с высокой пропускной способностью и высокой плотностью передачи данных, таких как межсоединения центров обработки данных и кластеры высокопроизводительных вычислений. Эти приложения предъявляют высокие требования к контролю энергопотребления и возможностям управления тепловым режимом оптических модулей. По мере увеличения скорости передачи данных с 400G до 800G и выше плотность интеграции электронных компонентов внутри модуля продолжает расти, что приводит к значительному увеличению количества тепла, выделяемого на единицу объема. Поэтому эффективная конструкция системы отвода тепла стала важной предпосылкой для обеспечения нормальной работы оптических модулей OSFP.

Стратегии управления тепловыделением оптических модулей OSFP

Конструкция с плоской верхней частью

Оптический модуль OSFP с плоским верхом имеет конструкцию металлического корпуса с плоской верхней частью и не оснащен дополнительными радиаторами. Отвод тепла от него может обеспечиваться системой охлаждения коммутатора. Тепло, выделяемое во время работы модуля, пассивно передается через металлический корпус и рассеивается воздушным потоком из воздуховодов и вентиляторов шасси. Благодаря простой конструкции и стандартизированным размерам конструкция с плоским верхом обеспечивает хорошую механическую совместимость и высокую плотность портов, что делает ее подходящей для развертывания 400G OSFP в сценариях с эффективным охлаждением коммутатора и зрелыми конструкциями воздушного потока.

Открытый радиатор с ребристой верхней частью

Этот открытая верхняя часть с ребрами охлаждения Конструкция радиатора включает открытые металлические ребра для отвода тепла в верхней части оптического модуля OSFP; расстояние между ребрами позволяет холодному воздуху проходить непосредственно через них или двигаться вдоль каналов между ребрами. Это важный фактор, который повышает эффективность конвективного отвода тепла. Благодаря увеличенной площади поверхности теплоотвода и улучшенному контакту с воздушным потоком эта конструкция эффективно снижает рабочую температуру компонентов внутри модуля. Обычно она применяется в оптических модулях с более высоким энергопотреблением.

Радиатор с закрытым оребрением сверху

Конструкция радиатора с закрытым верхом и ребрами также оснащена ребрами охлаждения на верхней части оптического модуля OSFP, однако ребристая структура частично или полностью закрыта внешним корпусом, благодаря чему воздушный поток в основном проходит вдоль поверхности ребер, обеспечивая отвод тепла. По сравнению с конструкцией с открытым верхом и ребрами эта конструкция улучшает отвод тепла, одновременно обеспечивая механическую прочность модуля и его защиту.

Двусторонняя конструкция отвода тепла

Чтобы решить проблему недостаточного отвода тепла через нижнюю поверхность модуля, в некоторых оптических модулях OSFP используется двусторонняя тепловая конструкция. Например, некоторые оптические модули оснащены верхней и нижней поверхностями с тепловыми трубками, расположенными соответственно на верхней и нижней сторонах. Охлаждающая жидкость циркулирует внутри, а её циркуляция обеспечивается соединительными трубками и контурной конструкцией, что повышает общую эффективность отвода тепла.

Материалы и производственный процесс

Для дальнейшего повышения эффективности отвода тепла в конструкции теплоотвода оптического модуля OSFP используются высокопроизводительные материалы и передовые производственные процессы. Например, в качестве радиатора применяется медная трубка T2 диаметром 0.5-4mm, а сложная конструкция теплоотвода формируется посредством гибки. Кроме того, поверхности тепловых трубок покрываются оловом для увеличения площади контакта с корпусом модуля, что повышает теплопроводность.

OSFP против QSFP-DD: какой формат лучше справляется с отводом тепла? 

Большой размер конструкции OSFP дает ей значительное преимущество в рассеивании тепла. Благодаря оптимизированному металлическому корпусу и внутренним каналам отвода тепла эффективность рассеивания тепла более чем на 30% выше, чем у QSFP-DD. OSFP может стабильно поддерживать оптические модули мощностью 15 Вт и выше, например оптический модуль дальнего действия 400G LR4. При включении технологии когерентной передачи мощность достигает примерно 14 Вт. Форм-фактор OSFP помогает поддерживать рабочую температуру ниже 65℃, предотвращая снижение производительности из-за перегрева. У QSFP-DD возможности отвода тепла относительно ограничены, поэтому он лучше всего подходит для приложений с низкой и средней мощностью менее 12 Вт. Например, в соединениях на коротких расстояниях между серверами и коммутаторами внутри центров обработки данных оптические модули обычно работают при мощности 8–10 Вт. QSFP-DD полностью справляется с этими требованиями к теплоотводу, одновременно используя преимущества своей конструкции с высокой плотностью.

Управление тепловыделением разъёмов OSFP в реальных условиях эксплуатации

Центры обработки данных

В центрах обработки данных необходимо передавать огромные объемы данных на высокой скорости между серверами, коммутаторами и устройствами хранения. Оптические модули OSFP обычно потребляют значительное количество энергии. Стабильный контроль температуры обеспечивается плоскими верхними панелями, оребренными и двусторонними тепловыми решениями, а также воздушным потоком в стойке и воздушным охлаждением на уровне системы. Это обеспечивает долговечность соединений 400G или 800G для приложений с высокой плотностью размещения.

Кластеры HPC

В HPC-кластерах крайне важен высокоскоростной обмен большими объемами данных между вычислительными узлами. Оптика OSFP обеспечивает стабильность работы в приложениях с высокой мощностью и высокой плотностью, гарантируя надежное соединение для удовлетворения требований к пропускной способности полностью оптических сетей.

Периферийные вычисления

Сценарии периферийных вычислений обычно реализуются в узлах с ограниченным пространством и разнообразными условиями окружающей среды, что предъявляет высокие требования к стабильности и надежности оборудования. Оптические модули OSFP обеспечивают стабильную работу с высокой пропускной способностью, высоконадежное и высокоскоростное соединение для периферийных узлов, а также эффективную передачу данных между локальной и магистральной сетями.

Часто задаваемые вопросы об оптических модулях 400G OSFP

В: Всегда ли более плотный пакет ребер улучшает охлаждение?

A: Нет. Более плотное расположение ребер не всегда улучшает охлаждение. Хотя более высокая плотность ребер увеличивает площадь теплообмена, если ребра расположены слишком близко друг к другу, они создают препятствия для воздушного потока и повышают сопротивление потоку. Уменьшение воздушного потока также может привести к общему снижению эффективности отвода тепла. Эффективное охлаждение зависит от сбалансированной конструкции ребер, оптимизирующей как площадь поверхности, так и воздушный поток, а не только от максимизации плотности ребер.

В: Какова основная цель управления тепловым режимом в модулях OSFP?

A: Охлаждение модулей OSFP разработано для эффективного отвода тепла, выделяемого мощными компонентами, такими как лазеры и микросхемы DSP. Простое устранение избыточного тепла позволяет повысить производительность и надежность, одновременно предотвращая повреждение чувствительных компонентов системы.