光学 I/O 模块的热挑战

用于 56G 和 112G 的光学 I/O 模块目前可以使用风冷。在以 112G 或更高的数据传输率进行相干光通信时，可插拔光学 I/O 模块的功率水平 (33W+) 可能需要将液冷措施扩展到模块。

112G 和 224G 两代收发器仍将以 IEEE 802.3 标准中定义的标准链路长度为目标，因此系统设计人员和数据中心运营商不应期望仅仅为了适应光模块的更高功率要求而改变标准。这意味着前几代光模块中已经存在的热需求预计会增加，而旧的热管理方法可能效果不佳。

可插拔光模块带来的挑战在于，自近 20 年前采用光纤收发器模块以来，其外形尺寸一直未发生变化。现在，业界正在向 224G 发展，新一代光学 I/O 模块需要向后兼容现有的机架式设备，以便进行升级。这意味着热密度将继续增加，可能导致强制风冷这种冷却光学 I/O 模块的唯一方法都不再有效。

附在光学 I/O 模块上的散热片可增强强制风冷系统的冷却能力，但由于耐用性要求，散热片受限于金属与金属之间的接触，无法最大限度地传热。对于任何散热片接触来说，裸金属接触都是不可取的，而考虑到过去几年光模块功率水平的大幅提高，这一点在 I/O 模块上尤为明显。预计每个模块的功率需求将增加至 40W，将进一步加剧这一瓶颈。要改善裸露金属接触表面的热接触电阻，可以将热界面材料 (TIM) 安装到与可插拔模块紧密接触的骑乘式散热片上，帮助提高传热效率。

将 TIM 安装到骑乘式散热片的问题在于 TIM 的可靠性。当插入或从屏蔽罩中取出 TIM 时，模块的锋利边缘会刮掉 TIM，导致热效率在每次插配后都会降低，使它在插入几次之后就不起作用了。如果这些模块暴露在恶劣的现场条件下，例如由于电缆负载导致的斜角插入，这种耐用性挑战会进一步加剧，因为这会使脆弱的 TIM 表面更易暴露于模块的锋利边缘。要确保重复插配的高可靠性，就需要重新设计散热片接触方法，以便 TIM 能够经受住多达 100 次的插配循环。

增加功率密度需要重新评估光模块的传统热表征方法。传统上，采用 70°C 外壳温度要求作为热规格（即作为数字光学监控 (DOM) 温度的指标）。然而，最近的研究表明，即使外壳温度达到 70°C，模块内部的温度敏感组件仍会有几度的热裕度。这会导致对系统热可行性的结论不准确，进而导致冷却系统过度运转。例如，在 I/O 热性能是限制因素的系统中，风扇会以高于所需的速度运行以满足外壳温度要求，即使模块内部组件还有温度残留。一种新的热表征（本报告稍后将讨论）将有助于解决当前方法的这一局限性。

模拟/预测工程用于优化系统设计、组件放置和冷却策略，再进行构建和部署。在完成机械设计之前，优化光模块上的散热片和强制风冷方法通常需要模拟整个机箱内的气流。机架安装服务器在高度和宽度方面是标准化的，大多数部署采用 1RU 外形尺寸。其他组件（例如芯片、附加卡、SSD 等）的放置会影响流经机箱和一排 I/O 模块的气流路径，从而影响冷却效果。

组件级模拟对于光学 I/O 模块也很重要，因为它可以识别模块主体上的热点。模拟需要考虑模块本身的内部结构，其次是与孤立模块的测量结果的相关性。单独运行温度测试时，需进行接触测量和红外摄像机测量。了解了收发器中的热特性后，就可以将它用作系统级模拟的输入信息，然后进行系统级测试和关联。

高功率 112G 和 224G 光模块在浸入式冷却系统中可以有效冷却。虽然从热负荷角度来看这是最有效的冷却方法，但介电流体会给模块连接器带来挑战，主要是影响信号完整性。光学模块和 I/O 连接器通常在设计时会假定周围的电介质是空气，将空气替换为其他电介质会导致耦合效率低下。因此，浸入式冷却机架安装设备中的 112G 和 224G 通道将需要与介电流体兼容的专用模块。如果优先选择浸入式冷却，较低的效率和更专业的构造会导致每个机架单元的成本更高。