Thermal testing confirms high-density QSFP-DD module design flexibility and performanceScott Sommers
作者：Molex产品司理兼 QSFP-DD MSA 协会协作主席
摘要：QSFP-DD 模块的热力功能已针对高功能数据中心环境下的运用进行了广泛评价。提交并剖析了 15W QSFP-DD 模块的热工测验数据及可行性研究成果，对温升和气流进行了比照。
关键词：QSFP-DD；模块；数据中心；热；测验
1 QSFP-DD 模块概览
QSFP-DD 是业界尺度最小而又能够供给最高端口带宽密度的 400GbE 模块。QSFP-DD 是与四分之一小形状系数可插拔双密度 (QSFP-DD) 多源协议(MSA) 集团协作开发的效果，满意了商场对下一代高密度、高速可插拔模块的需求。
QSFP-DD 形状系数的开发进程充沛利用了职业强壮的制作才干与本钱结构，然后为 40GbE 和100GbE 运用的 QSFP+ 和QSFP28 实践规范供给了大力支撑。这一形状系数在一个机架单位 (RU) 上即可启用 36 个 400GbE 端口，供给超越 14 Tbps 的带宽（参见图 1）。
QSFP-DD 模块向下兼容从 40 Gbps 到 200Gbps 的一切根据 QSFP 的收发机，而且能够支撑一系列的产品，包含：
• 3 m长的无源铜缆；
• 在并行多模光纤上支撑 100 m的间隔；
• 在并行单模光纤上支撑 500 m的间隔；
• 在双工单模光纤上支撑 2 km和 10 km的间隔；
• WDM 和连接规划。
2 热需求与热工测验
在含有可插拔模块的设备的规划进程中，其间的一项应战是每个插座有必要能够承载最大的热负荷。一项对预期的悉数光学模块的类型与传输间隔的调研成果显现，需求至少 15 W的冷却功率才干够支撑QSFP-DD 的最大传输间隔（如图2）。
走运的是，职业关于小形状系数模块产品族的构建（以及冷却）具有着丰厚的经历。其间包含尺度较小的 SFP 单通道模块以及向下兼容的 QSFP 4 通道模块。这两种模块都已很多用于当今的网络交流机傍边。这些曩昔的经历能够使用到 QSFP-DD 可插拔模块中，而且经过进一步的立异，现在认为在 400GbE 产品中能够很简单就到达 15 W的功率（参见图 3）。
体系规划在对降温进行优化上的灵敏性是QSFP-DD 的一项首要优势。平顶的规划经过在热工方面很多可行的立异，能够对顶部的散热器和/或热管进行优化。这种灵敏性上的典范包含一系列的端口进口、端口排气口以及边对边的冷却选项。
高密度体系选用的是各不相同的印刷电路板 (PCB) 布局、电扇放置方法以及气流操控计划，然后答应对路由、模块布局和气流进行优化。前部对前部的布局能够将 QSFP-DD 模块置于印刷电路板上相对的两边。在这种规划中，流过印刷电路板两边的气流为模块的冷却带来必定的优势。与堆叠式的卡笼比较，这样还可为进入模块内部的高速走线完成更好的信号完整性。前部对前部布局的一个缺陷便是印刷电路板上组件的高度受到约束，而且高功率交流芯片上散热器的高度需求减小。
另一个计划，即堆叠布局，能够将 QSFP-DD 模块安放到印刷电路板的同一侧，然后气流只会在一侧活动。经过将散热器的高度提升到最大程度，这种布局能够为交流芯片的冷却带来优势。选用这种堆叠规划的首要应战在于向上方堆叠卡笼进行高速走线时的信号完整性，以及下方卡笼模块的冷却问题（如图4）。
展开了热工测验以描绘在指定作业规模内 QSFP-DD 模块和卡笼的热力功能，而且保证产品操作进程中耐受极点温度时 QSFP-DD 解决计划的稳健性。这些广泛测验的成果具体记载下了气流和热工测验的成果，其间运用了温升作为体系规划的首要参数。在每个测验用例中，方针热力功能是使从环境温度到模块外壳的温升保持在 30°C 以下。
3 热工测验 1：堆叠卡笼测验用例
在上下插槽中一起对模块进行冷却的才干要求将散热器集成到 2×1 的卡笼中。展开了测验以确认模块-卡笼-散热器与高功率光学模块这一组合的热力功能。运用了边对边的 2×1 卡笼来代表 1RU 的交流机，然后展开了模块热工测验。
热工测验的首要关注点在于固定的 1RU 体系规划，原因在于，从热规划的视点来说，这种规划一般最具应战性。对电扇空间进行了约束，这一形状系数代表了最杂乱的模块热规划。线卡向外拉出的模块化体系规划一般配有尺度更大的电扇，在各组件之间能够供给更大的气流。一般状况下，与固定规划比较，模块化体系中的温升要低 5~7°C，如表1~3。
表1
斜坡 H.S. + 枯燥 + 夹具，外壳均匀温度
斜坡 H.S. + 枯燥 + 夹具，内部均匀温度
表2
斜坡 H.S. + 枯燥 + 高低压力，外壳均匀温度
斜坡 H.S. + 枯燥 + 高低压力，内部均匀温度
表3
斜坡 H.S. + 枯燥 + 低下压力，外壳均匀温度
斜坡 H.S. + 枯燥 + 低下压力，内部均匀温度
在堆叠卡笼的热工测验中，在预设为低压力或预设为高压力的状况下，运用夹具形成温度升高。这样就产生了十分挨近的温度成果，标明夹具规划取得的紧固力较为适合。当每个 2×1 的卡笼中的气流约为 7CFM 时，模块外壳的均匀温升在 21 到 22°C。温升图标明，假如每个 2×1 卡笼上的气流超越 8 CFM，则模块外壳的温升能够小于 20°C。大多数状况下，在经测验的 CFM 规模内，2×1 卡笼中的底部模块运行时能够比顶部模块的温度高出 2 到 4°C。温升与功率图确认了 QSFP-DD 模块/卡笼的组合在小于 30°C温升状况下为所需的 15 W功率供给支撑的才干（如图5）。
前部对前部的规划中选用的散热器装置在外表装置卡笼的顶部。这种规划在 1U 的交流机规划中应当供给最优的模块气流。这是一项组件等级的测验，选用了两个 1×2 的 QSFP-DD 卡笼，设置在测验板的两边。悉数热工测验都在 40°C 的温度下展开。气流方向为早年到后，而且测验中运用的气流规模视为是体系规划的一个典型规模。前部对前部的热工测验一起选用了 14 W和 15 W的模块功耗。成果显现，模块中心/后部的功耗偏置可带来热力功能上的明显改进。
在气流早年向后活动的前部对前部体系中，当每个模块的气流为 6.4 CFM 时，在 46°C 的环境温度下 ，15 W模块的外壳温度能够保持在 70°C 以下。在 40°C 的环境气温下，模块的最大功耗增至 18W。对热环境和/或定制散热器（更高的散热片高度和/或更大的散热片密度）进行优化，能够将模块的最大功耗提升至 18 W以上。需求 6.5 CFM 的气流才干到达所需的热力功能。在 2.5 英寸水柱的压降下使电扇反向旋转即可做到这一点。
4 灵敏性与经济性
QSFP-DD 模块的热力功能已针对高功能数据中心环境下的运用进行了广泛评价。取得的数据清楚的标明，温升与气流的比照充沛验证了 15 W QSFP-DD模块在实际的数据中心环境下的可行性。
作为一种灵敏的低本钱解决计划，QSFP-DD 模块充沛利用了在体系、模块和卡笼的热规划以及战略上的丰厚经历。热工测验确认了该形状系数可在产品的定制方面为职业供给最大的灵敏性。在堆叠卡笼和前部对前部的装备中，QSFP-DD 模块都可为所需的热负荷供给支撑，满意关于下一代高带宽使用的需求。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第36页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
