Основные конструктивные ограничения для жидкостного охлаждения холодной пластины оптического трансивера Stack-OSFP

предисловие 

В индустрии центров обработки данных уже широко используются оптические модули 800G/1.6T, и значительно возрос спрос на жидкостное охлаждение оптических модулей с помощью охлаждающих пластин. Для удовлетворения этого спроса в версии OSFP-MSA V5.22 были добавлены решения, применимые к жидкостному охлаждению с помощью охлаждающих пластин. В настоящее время в отрасли уже существуют некоторые решения для однослойных оптических модулей, такие как схемы с тепловыми трубками и удаленными охлаждающими пластинами и т. д. Однако для оптических модулей Stack-Cage с жидкостным охлаждением с помощью охлаждающих пластин отрасль еще не предложила зрелого технического решения, и многие поставщики все еще находятся в стадии разработки прототипов и исследований новых технических решений. В данной статье обобщены и систематизированы проектные ограничения, связанные с жидкостным охлаждением с помощью охлаждающих пластин оптических модулей Stack-OSFP, как указано в последнем протоколе MSA.

Габариты корпуса модуля OSFP (без теплораспределительной крышки)

Для обеспечения жидкостного охлаждения оптических модулей с помощью холодной пластины, в оптическом модуле OSFP необходимо удалить теплораспределительную пластину (IHS). В этом случае габариты корпуса оптического модуля следующие:

1. Ширина модуля 22.58 мм
2. Высота модуля составляет 9.5 мм, с допуском от -0.2 до 0.1 мм, т.е. максимальное отклонение размеров корпуса оптического модуля составляет 0.3 мм.
3. Допустимая площадь контакта с холодной пластиной: 16.6 мм × 62.2 ± 0.5 мм

Корпус для жидкостного охлаждения с охлаждающей пластиной

Для встречи с холодной пластиной жидкостное охлаждение В связи с требованиями к двухслойным оптическим модулям, размеры каркаса Stack претерпели значительные изменения. Каркас теперь имеет двухсегментную разъемную конструкцию, что позволяет осуществлять сегментированную установку:

Высота от верхней крышки нижнего отсека до печатной платы: 11.15 мм

Высота зазора в двухслойном корпусе: 9.5 мм, максимальная глубина 68 мм, позволяет разместить нижнюю пластину охлаждения оптического модуля.

Общая высота клетки: 31.05 мм. Площадь верхнего отверстия клетки: 61.6 × 18 мм, площадь выступа холодной пластины должна быть меньше этого размера для обеспечения возможности установки и размещения оптического модуля.

Для повышения прочности каркаса в задней части предусмотрена определенная ширина, а максимальный размер проема установлен на уровне 58 × 18 мм.

Длина уменьшена на 3.6 мм по сравнению с верхней частью корпуса. Если необходимо сохранить единообразие конструкций охлаждающих пластин оптического модуля верхнего и нижнего слоев, то на данном этапе конструкция должна соответствовать размерам отверстий нижнего слоя.

Указанная высота однослойной клетки составляет 9.9 ± 0.1 мм. Видно, что максимально возможный зазор между клеткой и оптическим модулем составляет 0.2 ~ 0.7 мм.

Дополнительные требования к тепловым и механическим характеристикам модуля OSFP

Сила вставки/извлечения

1. Максимальное усилие вставки 40 Н (при использовании правой стороны максимум 55 Н);
2. Максимальная сила извлечения составляет 30 Н (при использовании правого цилиндра — максимум 45 Н). Если в оптическом модуле используется жидкостное охлаждение с помощью холодной пластины, следует учитывать тот же сценарий, что и с правым цилиндром, поэтому максимальную силу вставки следует принимать равной 55 Н.

Требования к плоскостности оптического модуля 

Для сценариев с мощностью выше 14 Вт, соответствующих оптическим модулям 800G и выше, плоскостность поверхности оптического модуля должна быть не выше 0.05 мм, а шероховатость Ra — 0.8 мкм. При проектировании охлаждающей пластины оптического модуля следует учитывать это требование.

Требования к прижимной силе для оптического модуля (правая сторона). 

Протокол MSA предусматривает два требования к усилию зажима для Оптические модули OSFPДля правой стороны (RHS): в разделе 5.5 требуется усилие не более 36 Н, в разделе 12.8 — не более 50 Н. Поскольку глава 12 MSA — это глава, специально обновленная для оптических модулей OSFP после удаления IHS, и конструкция клетки в этой главе разработана с высотой зазора 9.5 мм, для каркасов Stack рекомендуется проектировать с максимальным усилием прижима не более 50 Н при проектировании холодной пластины оптического модуля. Предполагая, что площадь контакта холодной пластины нижнего слоя с оптическим модулем составляет 16.6 × 50 мм, поверхностное давление при усилии прижима 50 Н составляет приблизительно 8.3 psi. Видно, что контактное давление при контакте оптического модуля с холодной пластиной чрезвычайно низкое.

Образцы оптического модуля OSFP в корпусе + охлаждающей пластине.

Ниже показана прототипная конструкция каркаса, созданная в соответствии с данной версией протокола MSA. Охлаждающая пластина нижнего слоя оптического модуля должна обеспечивать высоконадежное и относительно недорогое решение для жидкостного охлаждения оптического модуля в рамках габаритных ограничений по высоте 9.5 мм и глубине 68 мм.

В настоящее время некоторые производители разъемов уже предлагают решения с охлаждающими пластинами для корпусов Stack. Например, решение от Amphenol представляет собой интегрированную охлаждающую пластину, обеспечивающую жидкостное охлаждение 8 оптических модулей одновременно на верхнем и нижнем слоях. Согласно официальной информации, эта охлаждающая пластина обладает следующими характеристиками:

1. Цельная охлаждающая пластина, используемая в 8 оптических модулях на верхнем и нижнем слоях (всего 16 портов);
2. Максимальная холодопроизводительность 40 Вт;
3. Независимая пружинная нагрузка для каждого порта обеспечивает контакт;
4. Всего один вход и один выход для 16 оптических модулей, что обеспечивает максимальную надежность и снижает риск утечек;
5. Давление жидкости не влияет на усилие при вставке/извлечении (это указывает на то, что плавающая часть не контактирует с охлаждающей жидкостью, и отсутствуют скользящие уплотнения или подобные сценарии утечки).

Фактическую эффективность рассеивания тепла этим решением после его применения еще предстоит проверить.

Резюме

Оптический модуль OSFP является основным форм-фактором для пропускной способности 800G и 1.6T. Эффективность теплоотвода и надежность системы жидкостного охлаждения с использованием охлаждающей пластины имеют решающее значение для широкого распространения и применения технологии жидкостного охлаждения оптических модулей. MSA уже предоставила рекомендуемые конструктивные решения для жидкостного охлаждения оптических модулей с использованием охлаждающей пластины. При проектировании охлаждающих пластин для оптических модулей OSFP следует учитывать вышеуказанную ключевую информацию об ограничениях.