業(yè)界最小的400GbE模塊QSFP-DD對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要

四通道小型可插拔雙密度模塊(QSFP-DD)是業(yè)界最小的400GbE模塊，提供最高的端口帶寬密度。嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證了它是下一代高密度、高速可插拔模塊。

四通道小型可插拔雙密度(QSFP-DD)模塊的熱性能已在高性能數(shù)據(jù)中心環(huán)境中得到了廣泛的評(píng)估。分析15WQSFP-DD模塊的熱測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果，得出了溫升與氣流的關(guān)系。

QSFP-DD模塊是業(yè)界最小的400 GbE(千兆以太網(wǎng))模塊，提供最高的端口帶寬密度。通過(guò)與QSFP-DDMSA團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)完成，滿(mǎn)足了下一代高密度、高速可插拔模塊的市場(chǎng)需求。

QSFP-DD的構(gòu)成形式促使了行業(yè)重要的制造能力的改變，同時(shí)成本也支持40GbE 和100GbE的QSFP+和QSFP28標(biāo)準(zhǔn)。這種結(jié)構(gòu)支持單個(gè)機(jī)架單元(RU)中具有36個(gè)400GbE端口，并提供超過(guò)14TB/s的帶寬。

單個(gè)支架上的36個(gè)QSFP-DD端口

QSFP-DD模塊兼容從40Gb/s到200Gb/s的所有QSFP收發(fā)器，以及支持以下一系列產(chǎn)品，包括：

·3m無(wú)源銅纜

·100米平行多模光纖

·500米平行單模光纖

·2公里和10公里雙工單模光纖

·波分復(fù)用(WDM)和相干光學(xué)

熱要求及測(cè)試

在設(shè)計(jì)具有可插拔模塊的設(shè)備的挑戰(zhàn)中，每個(gè)插座必須能夠處理最大熱負(fù)載。基于對(duì)所有未來(lái)預(yù)期光學(xué)模塊類(lèi)型和層級(jí)的調(diào)查，至少需要15W的冷卻能力才能支持QSFP-DD的最大覆蓋范圍。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有足夠的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制造和冷卻一系列小型模塊，包括較小的SFP單車(chē)道模塊和兼容性強(qiáng)的QSFP四車(chē)道模塊等，這兩個(gè)模塊都在今天的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中被密集使用。這些經(jīng)驗(yàn)被應(yīng)用到QSFP-DD可插拔模塊以及未來(lái)進(jìn)一步的創(chuàng)新中，15W冷卻能力在400 GbE產(chǎn)品中被認(rèn)為是很容易實(shí)現(xiàn)的。

單支架端口密度

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中靈活優(yōu)化熱冷卻是QSFP-DD模塊的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一，他們的平頂設(shè)計(jì)，使散熱片和散熱管可以進(jìn)行眾多的熱創(chuàng)新和優(yōu)化，包括有限范圍的進(jìn)入、排氣和側(cè)對(duì)側(cè)冷卻等。

高密度系統(tǒng)利用不同的PCB設(shè)計(jì)、風(fēng)扇布局和氣流控制等來(lái)優(yōu)化路徑、模塊布局和氣流等。belly-to-belly設(shè)計(jì)可以將QSFP-DD模塊放置在PCB的對(duì)面。在這種設(shè)計(jì)中，氣流在PCB兩側(cè)冷卻模塊，這樣效果更優(yōu)。相比堆疊卡籠，這種設(shè)計(jì)還提供了更好的高速信號(hào)完整性。belly-to-belly設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是PCB上組件的高度有限，需要降低大功率轉(zhuǎn)換芯片上散熱片的高度。

另一個(gè)選項(xiàng)是堆疊設(shè)計(jì)，將QSFP-DD模塊放置在PCB的同側(cè)，因此空氣只流動(dòng)在一側(cè)。通過(guò)最大限度地加大散熱片高度，這種設(shè)計(jì)非常有利于冷卻轉(zhuǎn)換芯片。使用堆疊設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是在保持上層堆疊卡籠高速信號(hào)完整性的同時(shí)，又要冷卻下層卡籠模塊。

在規(guī)定的工作范圍內(nèi)對(duì)QSFP-DD模塊和支架熱性能進(jìn)行了熱測(cè)試，以確保QSFP-DD解決方案在遇到極端溫度時(shí)保持穩(wěn)健。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試氣流和溫升散熱得出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。要求在任何情況，模塊周?chē)臏囟缺３衷?0°C以下。

熱測(cè)試1：堆疊卡籠測(cè)試

同時(shí)冷卻上槽和下槽中模塊的能力需要散熱片到集成2合1卡籠中。通過(guò)測(cè)試來(lái)確定模塊籠和與高功率光學(xué)模塊的散熱片結(jié)合后的熱性能。使用單支架轉(zhuǎn)換器側(cè)對(duì)側(cè)2合1卡籠來(lái)進(jìn)行模塊熱測(cè)試。

重要的熱測(cè)試集中在裝好的單支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，因?yàn)閺臒嵩O(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這通常是最具挑戰(zhàn)性的。風(fēng)扇空間是有限的，這需要最復(fù)雜的模塊熱設(shè)計(jì)。線卡模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)將風(fēng)扇拉出，能提供更大的通風(fēng)氣流。在模塊化系統(tǒng)中，模塊設(shè)計(jì)通常比固定裝置設(shè)計(jì)的溫升低5-7°C.

每次試驗(yàn)并排設(shè)置兩個(gè)2×1 QSFP-DD籠。所有的熱試驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行的，范圍在海平面20°C到22°C之間。氣流方向從前到后，在試驗(yàn)中使用的氣流范圍被認(rèn)為是針對(duì)典型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在某些測(cè)試案例中，為了達(dá)到一致的測(cè)試結(jié)果，使用了測(cè)力計(jì)/測(cè)力單元在散熱片下設(shè)置一定的值。

在堆疊支架熱試驗(yàn)中，無(wú)論是低預(yù)置還是高預(yù)置，溫度都隨夾具的使用而升高。這導(dǎo)致非常接近的溫度結(jié)果，從夾緊力設(shè)計(jì)來(lái)看這是一個(gè)正確的現(xiàn)象。當(dāng)2×1支架的風(fēng)量在7 CFM左右時(shí)，組件的平均溫升在21~22°C左右。溫升曲線表明，當(dāng)空氣流量大于8 CFM/2×1籠時(shí)，模塊籠溫升可小于20°C。在大多數(shù)情況下，2×1籠中的底部模塊在CFM測(cè)試范圍內(nèi)運(yùn)行的溫度比頂部模塊高出2-4°C。溫升與功率關(guān)系圖證實(shí)了QSFP-DD模塊和支架結(jié)合后低于30°C溫升所需的能力。

熱測(cè)試2：Belly-to-Belly 測(cè)試案例

belly-to-belly 的設(shè)計(jì)將散熱片安裝在支架頂部的表面，并應(yīng)在支架轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中提供最佳模塊冷卻氣流。在這個(gè)組件級(jí)測(cè)試中，在測(cè)試板的兩側(cè)設(shè)置了兩個(gè)1×2 QSFP-DD籠。所有的熱試驗(yàn)在40°C(114.8°F)環(huán)境溫度下進(jìn)行。氣流方向是前后向的，試驗(yàn)中使用的氣流范圍被認(rèn)為是典型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。belly-to-belly 熱測(cè)試中同時(shí)使用14W和15W模塊的功耗，結(jié)果表明，將功耗偏置到模塊的中心和后方，可以顯著改善模塊的熱性能。

在前向后氣流的belly-to-belly 系統(tǒng)中，46°C環(huán)境下，15W組件的箱溫可保持在70°C(158°F)以下;模塊風(fēng)量為6.4 cfm。在40°C(114.8°F)環(huán)境溫度以下時(shí)，最大模塊功耗增加到18W。優(yōu)化熱環(huán)境或定制散熱片(例如，翅片較高或翅片密度較高的散熱片)可將最大模塊功耗增加到超過(guò)18W,在2.5“H2O壓降下使用反旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī),6.4CFM氣流才能達(dá)到預(yù)期的熱性能.

靈活又經(jīng)濟(jì)的QSFP-DD模塊

建立和維持互操作的互連解決方案對(duì)于支持收發(fā)器模塊、交換技術(shù)和服務(wù)器方面的進(jìn)步是非常重要的。隨著數(shù)據(jù)中心最大限度地利用電力和冷卻系統(tǒng)，熱管理變得越來(lái)越重要。

在高性能數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，QSFP-DD模塊的熱性能得到了廣泛的評(píng)價(jià).由此產(chǎn)生的溫升與氣流的數(shù)據(jù)清楚地證明了15W QSFP-DD模塊在現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的可行性。

QSFP-DD模塊提供了靈活、低成本的解決方案，連接器在系統(tǒng)、模塊和支架熱設(shè)計(jì)和管理方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。熱測(cè)試證實(shí)，這種結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品定制方面也提供了很大的靈活性。無(wú)論是堆疊的支架和belly-to-belly 的配置，QSFP-DD模塊可以支持所需的熱負(fù)荷，以滿(mǎn)足下一代高帶寬應(yīng)用的需求。