熱工測試確認高密度QSFP-DD模塊設計的靈活性與高性能

　　Thermal testing confirms high-density QSFP-DD module design flexibility and performanceScott Sommers

      作者：Molex產品經理兼 QSFP-DD MSA 協會合作主席

　　摘要：QSFP-DD 模塊的熱力性能已針對高性能數據中心環(huán)境下的使用進行了廣泛評估。提交并分析了 15W QSFP-DD 模塊的熱工測試數據及可行性研究結果，對溫升和氣流進行了對比。

　　關鍵詞：QSFP-DD；模塊；數據中心；熱；測試

      1 QSFP-DD 模塊概覽

      QSFP-DD 是業(yè)界尺寸最小而又可以提供最高端口帶寬密度的 400GbE 模塊。QSFP-DD 是與四分之一小形狀系數可插拔雙密度 (QSFP-DD) 多源協議(MSA) 集團協作開發(fā)的成果，滿足了市場對下一代高密度、高速可插拔模塊的需求。

　　QSFP-DD 形狀系數的開發(fā)過程充分利用了行業(yè)強大的制造能力與成本結構，從而為 40GbE 和100GbE 使用的 QSFP+ 和QSFP28 實際標準提供了大力支持。這一形狀系數在一個機架單位 (RU) 上即可啟用 36 個 400GbE 端口，提供超過 14 Tbps 的帶寬（參見圖 1）。

　　QSFP-DD 模塊向下兼容從 40 Gbps 到 200Gbps 的所有基于 QSFP 的收發(fā)機，并且可以支持一系列的產品，包括：

      ? 3 m長的無源銅纜；

      ? 在并行多模光纖上支持 100 m的距離；

      ? 在并行單模光纖上支持 500 m的距離；

      ? 在雙工單模光纖上支持 2 km和 10 km的距離；

      ? WDM 和連貫設計。

　　2 熱需求與熱工測試

      在含有可插拔模塊的設備的設計過程中，其中的一項挑戰(zhàn)是每個插座必須能夠承載最大的熱負荷。一項對預期的全部光學模塊的類型與傳輸距離的調研結果顯示，需要至少 15 W的冷卻功率才可以支持QSFP-DD 的最大傳輸距離（如圖2）。

　　幸運的是，行業(yè)對于小形狀系數模塊產品族的構建（以及冷卻）具有著豐富的經驗。其中包括尺寸較小的 SFP 單通道模塊以及向下兼容的 QSFP 4 通道模塊。這兩種模塊都已大量用于當今的網絡交換機當中。這些過去的經驗可以應用到 QSFP-DD 可插拔模塊中，而且通過進一步的創(chuàng)新，現在認為在 400GbE 產品中可以很容易就達到 15 W的功率（參見圖 3）。

　　系統設計在對降溫進行優(yōu)化上的靈活性是QSFP-DD 的一項主要優(yōu)勢。平頂的設計通過在熱工方面眾多可行的創(chuàng)新，可以對頂部的散熱器和/或熱管進行優(yōu)化。這種靈活性上的范例包括一系列的端口入口、端口排氣口以及邊對邊的冷卻選項。

　　高密度系統采用的是各不相同的印刷電路板 (PCB) 布局、風扇放置方式以及氣流控制方案，從而允許對路由、模塊布局和氣流進行優(yōu)化。前部對前部的布局可以將 QSFP-DD 模塊置于印刷電路板上相對的兩側。在這種設計中，流過印刷電路板兩側的氣流為模塊的冷卻帶來一定的優(yōu)勢。與堆疊式的卡籠相比，這樣還可為進入模塊內部的高速走線實現更好的信號完整性。前部對前部布局的一個缺點就是印刷電路板上組件的高度受到限制，并且高功率交換芯片上散熱器的高度需要減小。

　　另一個方案，即堆疊布局，可以將 QSFP-DD 模塊安放到印刷電路板的同一側，從而氣流只會在一側流動。通過將散熱器的高度提升到最大程度，這種布局可以為交換芯片的冷卻帶來優(yōu)勢。采用這種堆疊設計的主要挑戰(zhàn)在于向上方堆疊卡籠進行高速走線時的信號完整性，以及下方卡籠模塊的冷卻問題（如圖4）。

　　開展了熱工測試以描述在指定工作范圍內 QSFP-DD 模塊和卡籠的熱力性能，并且確保產品操作過程中耐受極端溫度時 QSFP-DD 解決方案的穩(wěn)健性。這些廣泛測試的結果詳細記錄下了氣流和熱工測試的結果，其中使用了溫升作為系統設計的主要參數。在每個測試用例中，目標熱力性能是使從環(huán)境溫度到模塊外殼的溫升保持在 30°C 以下。

　　3 熱工測試 1：堆疊卡籠測試用例

      在上下插槽中同時對模塊進行冷卻的能力要求將散熱器集成到 2x1 的卡籠中。開展了測試以確定模塊-卡籠-散熱器與高功率光學模塊這一組合的熱力性能。使用了邊對邊的 2x1 卡籠來代表 1RU 的交換機，從而開展了模塊熱工測試。

　　熱工測試的主要關注點在于固定的 1RU 系統設計，原因在于，從熱設計的角度來說，這種設計通常最具挑戰(zhàn)性。對風扇空間進行了限制，這一形狀系數代表了最復雜的模塊熱設計。線卡向外拉出的模塊化系統設計通常配有尺寸更大的風扇，在各組件之間能夠提供更大的氣流。通常情況下，與固定設計相比，模塊化系統中的溫升要低 5~7°C，如表1~3。

表1

斜坡 H.S. + 干燥 + 夾具，外殼平均溫度

斜坡 H.S. + 干燥 + 夾具，內部平均溫度

表2

斜坡 H.S. + 干燥 + 高下壓力，外殼平均溫度

斜坡 H.S. + 干燥 + 高下壓力，內部平均溫度

表3

斜坡 H.S. + 干燥 + 低下壓力，外殼平均溫度

斜坡 H.S. + 干燥 + 低下壓力，內部平均溫度

　　在堆疊卡籠的熱工測試中，在預設為低壓力或預設為高壓力的情況下，使用夾具造成溫度升高。這樣就產生了非常接近的溫度結果，表明夾具設計獲得的緊固力較為適宜。當每個 2x1 的卡籠中的氣流約為 7CFM 時，模塊外殼的平均溫升在 21 到 22°C。溫升圖表明，如果每個 2x1 卡籠上的氣流超過 8 CFM，則模塊外殼的溫升可以小于 20°C。大多數情況下，在經測試的 CFM 范圍內，2x1 卡籠中的底部模塊運行時可以比頂部模塊的溫度高出 2 到 4°C。溫升與功率圖確認了 QSFP-DD 模塊/卡籠的組合在小于 30°C溫升情況下為所需的 15 W功率提供支持的能力（如圖5）。

　　前部對前部的設計中采用的散熱器安裝在表面安裝卡籠的頂部。這種設計在 1U 的交換機設計中應當提供最優(yōu)的模塊氣流。這是一項組件級別的測試，采用了兩個 1x2 的 QSFP-DD 卡籠，設置在測試板的兩側。全部熱工測試都在 40°C 的溫度下開展。氣流方向為從前到后，并且測試中使用的氣流范圍視為是系統設計的一個典型范圍。前部對前部的熱工測試同時采用了 14 W和 15 W的模塊功耗。結果顯示，模塊中心/后部的功耗偏置可帶來熱力性能上的顯著改善。

　　在氣流從前向后流動的前部對前部系統中，當每個模塊的氣流為 6.4 CFM 時，在 46°C 的環(huán)境溫度下 ，15 W模塊的外殼溫度可以保持在 70°C 以下。在 40°C 的環(huán)境氣溫下，模塊的最大功耗增至 18W。對熱環(huán)境和/或定制散熱器（更高的散熱片高度和/或更大的散熱片密度）進行優(yōu)化，可以將模塊的最大功耗提升至 18 W以上。需要 6.5 CFM 的氣流才能達到所需的熱力性能。在 2.5 英寸水柱的壓降下使風扇反向旋轉即可做到這一點。

　　4 靈活性與經濟性

       QSFP-DD 模塊的熱力性能已針對高性能數據中心環(huán)境下的使用進行了廣泛評估。獲得的數據清楚的表明，溫升與氣流的對比充分驗證了 15 W QSFP-DD模塊在現實的數據中心環(huán)境下的可行性。

　　作為一種靈活的低成本解決方案，QSFP-DD 模塊充分利用了在系統、模塊和卡籠的熱設計以及策略上的豐富經驗。熱工測試確認了該形狀系數可在產品的定制方面為行業(yè)提供最大的靈活性。在堆疊卡籠和前部對前部的配置中，QSFP-DD 模塊都可為所需的熱負荷提供支持，滿足對于下一代高帶寬應用的需求。

      本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第36頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處