業(yè)界最小的400GbE模塊QSFP-DD對未來數(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。嚴格的測試驗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估。分析15WQSFP-DD模塊的熱測試數(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。通過與QSFP-DDMSA團隊合作開發(fā)完成，滿足了下一代高密度、高速可插拔模塊的市場需求。

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

單個支架上的36個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

熱要求及測試

在設(shè)計具有可插拔模塊的設(shè)備的挑戰(zhàn)中，每個插座必須能夠處理最大熱負載。基于對所有未來預(yù)期光學模塊類型和層級的調(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。

幸運的是，現(xiàn)在有足夠的行業(yè)經(jīng)驗來制造和冷卻一系列小型模塊，包括較小的SFP單車道模塊和兼容性強的QSFP四車道模塊等，這兩個模塊都在今天的網(wǎng)絡(luò)交換機中被密集使用。這些經(jīng)驗被應(yīng)用到QSFP-DD可插拔模塊以及未來進一步的創(chuàng)新中，15W冷卻能力在400 GbE產(chǎn)品中被認為是很容易實現(xiàn)的。

單支架端口密度

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

高密度系統(tǒng)利用不同的PCB設(shè)計、風扇布局和氣流控制等來優(yōu)化路徑、模塊布局和氣流等。belly-to-belly設(shè)計可以將QSFP-DD模塊放置在PCB的對面。在這種設(shè)計中，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)計還提供了更好的高速信號完整性。belly-to-belly設(shè)計的一個缺點是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。

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

在規(guī)定的工作范圍內(nèi)對QSFP-DD模塊和支架熱性能進行了熱測試，以確保QSFP-DD解決方案在遇到極端溫度時保持穩(wěn)健。經(jīng)過大量測試氣流和溫升散熱得出系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。要求在任何情況，模塊周圍的溫度保持在30°C以下。

熱測試1：堆疊卡籠測試

同時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。通過測試來確定模塊籠和與高功率光學模塊的散熱片結(jié)合后的熱性能。使用單支架轉(zhuǎn)換器側(cè)對側(cè)2合1卡籠來進行模塊熱測試。

重要的熱測試集中在裝好的單支架系統(tǒng)設(shè)計上，因為從熱設(shè)計的角度來看，這通常是最具挑戰(zhàn)性的。風扇空間是有限的，這需要最復(fù)雜的模塊熱設(shè)計。線卡模塊系統(tǒng)設(shè)計將風扇拉出，能提供更大的通風氣流。在模塊化系統(tǒng)中，模塊設(shè)計通常比固定裝置設(shè)計的溫升低5-7°C.

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

在堆疊支架熱試驗中，無論是低預(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)計來看這是一個正確的現(xiàn)象。當2×1支架的風量在7 CFM左右時，組件的平均溫升在21~22°C左右。溫升曲線表明，當空氣流量大于8 CFM/2×1籠時，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測試范圍內(nèi)運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。

熱測試2：Belly-to-Belly 測試案例

belly-to-belly 的設(shè)計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)計中提供最佳模塊冷卻氣流。在這個組件級測試中，在測試板的兩側(cè)設(shè)置了兩個1×2 QSFP-DD籠。所有的熱試驗在40°C(114.8°F)環(huán)境溫度下進行。氣流方向是前后向的，試驗中使用的氣流范圍被認為是典型的系統(tǒng)設(shè)計要求。belly-to-belly 熱測試中同時使用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;模塊風量為6.4 cfm。在40°C(114.8°F)環(huán)境溫度以下時，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18W,在2.5“H2O壓降下使用反旋轉(zhuǎn)風機,6.4CFM氣流才能達到預(yù)期的熱性能.

靈活又經(jīng)濟的QSFP-DD模塊

建立和維持互操作的互連解決方案對于支持收發(fā)器模塊、交換技術(shù)和服務(wù)器方面的進步是非常重要的。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價.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)計和管理方面擁有豐富的經(jīng)驗。熱測試證實，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荷，以滿足下一代高帶寬應(yīng)用的需求。