服務(wù)器和機(jī)架式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué) I/O 模塊通常接受主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的直接冷卻，特別是來(lái)自機(jī)架式設(shè)備前面板的強(qiáng)制風(fēng)冷。機(jī)架式設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)需要平衡 I/O 模塊的熱管理與處理器或 ASIC 的散熱，以避免 I/O 或 ASIC 工作溫度熱裕度過(guò)高。根據(jù)處理器冷卻需求和光學(xué) I/O 模塊總功率優(yōu)化冷卻策略，有助于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶?，最大限度地提高系統(tǒng)的能效。

鏈路長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)傳輸率

用于 56G 和 112G 的光學(xué) I/O 模塊目前可以使用風(fēng)冷。在以 112G 或更高的數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)行相干光通信時(shí)，可插拔光學(xué) I/O 模塊的功率水平 (33W+) 可能需要將液冷措施擴(kuò)展到模塊。

112G 和 224G 兩代收發(fā)器仍將以 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中定義的標(biāo)準(zhǔn)鏈路長(zhǎng)度為目標(biāo)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商不應(yīng)期望僅僅為了適應(yīng)光模塊的更高功率要求而改變標(biāo)準(zhǔn)。這意味著前幾代光模塊中已經(jīng)存在的熱需求預(yù)計(jì)會(huì)增加，而舊的熱管理方法可能效果不佳。

外形尺寸

可插拔光模塊帶來(lái)的挑戰(zhàn)在于，自近 20 年前采用光纖收發(fā)器模塊以來(lái)，其外形尺寸一直未發(fā)生變化?，F(xiàn)在，業(yè)界正在向 224G 發(fā)展，新一代光學(xué) I/O 模塊需要向后兼容現(xiàn)有的機(jī)架式設(shè)備，以便進(jìn)行升級(jí)。這意味著熱密度將繼續(xù)增加，可能導(dǎo)致強(qiáng)制風(fēng)冷這種冷卻光學(xué) I/O 模塊的唯一方法都不再有效。

散熱

附在光學(xué) I/O 模塊上的散熱片可增強(qiáng)強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻能力，但由于耐用性要求，散熱片受限于金屬與金屬之間的接觸，無(wú)法最大限度地傳熱。對(duì)于任何散熱片接觸來(lái)說(shuō)，裸金屬接觸都是不可取的，而考慮到過(guò)去幾年光模塊功率水平的大幅提高，這一點(diǎn)在 I/O 模塊上尤為明顯。預(yù)計(jì)每個(gè)模塊的功率需求將增加至 40W，將進(jìn)一步加劇這一瓶頸。要改善裸露金屬接觸表面的熱接觸電阻，可以將熱界面材料 (TIM) 安裝到與可插拔模塊緊密接觸的騎乘式散熱片上，幫助提高傳熱效率。

將 TIM 安裝到騎乘式散熱片的問(wèn)題在于 TIM 的可靠性。當(dāng)插入或從屏蔽罩中取出 TIM 時(shí)，模塊的鋒利邊緣會(huì)刮掉 TIM，導(dǎo)致熱效率在每次插配后都會(huì)降低，使它在插入幾次之后就不起作用了。如果這些模塊暴露在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)條件下，例如由于電纜負(fù)載導(dǎo)致的斜角插入，這種耐用性挑戰(zhàn)會(huì)進(jìn)一步加劇，因?yàn)檫@會(huì)使脆弱的 TIM 表面更易暴露于模塊的鋒利邊緣。要確保重復(fù)插配的高可靠性，就需要重新設(shè)計(jì)散熱片接觸方法，以便 TIM 能夠經(jīng)受住多達(dá) 100 次的插配循環(huán)。

監(jiān)測(cè)模塊溫度

增加功率密度需要重新評(píng)估光模塊的傳統(tǒng)熱表征方法。傳統(tǒng)上，采用 70°C 外殼溫度要求作為熱規(guī)格（即作為數(shù)字光學(xué)監(jiān)控 (DOM) 溫度的指標(biāo)）。然而，最近的研究表明，即使外殼溫度達(dá)到 70°C，模塊內(nèi)部的溫度敏感組件仍會(huì)有幾度的熱裕度。這會(huì)導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)熱可行性的結(jié)論不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)過(guò)度運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，在 I/O 熱性能是限制因素的系統(tǒng)中，風(fēng)扇會(huì)以高于所需的速度運(yùn)行以滿(mǎn)足外殼溫度要求，即使模塊內(nèi)部組件還有溫度殘留。一種新的熱表征（本報(bào)告稍后將討論）將有助于解決當(dāng)前方法的這一局限性。

●模塊溫度圖解●

模擬與測(cè)試

模擬/預(yù)測(cè)工程用于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組件放置和冷卻策略，再進(jìn)行構(gòu)建和部署。在完成機(jī)械設(shè)計(jì)之前，優(yōu)化光模塊上的散熱片和強(qiáng)制風(fēng)冷方法通常需要模擬整個(gè)機(jī)箱內(nèi)的氣流。機(jī)架安裝服務(wù)器在高度和寬度方面是標(biāo)準(zhǔn)化的，大多數(shù)部署采用 1RU 外形尺寸。其他組件（例如芯片、附加卡、SSD 等）的放置會(huì)影響流經(jīng)機(jī)箱和一排 I/O 模塊的氣流路徑，從而影響冷卻效果。

組件級(jí)模擬對(duì)于光學(xué) I/O 模塊也很重要，因?yàn)樗梢宰R(shí)別模塊主體上的熱點(diǎn)。模擬需要考慮模塊本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其次是與孤立模塊的測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性。單獨(dú)運(yùn)行溫度測(cè)試時(shí)，需進(jìn)行接觸測(cè)量和紅外攝像機(jī)測(cè)量。了解了收發(fā)器中的熱特性后，就可以將它用作系統(tǒng)級(jí)模擬的輸入信息，然后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試和關(guān)聯(lián)。

●熱模擬系統(tǒng)●

浸入式冷卻

高功率 112G 和 224G 光模塊在浸入式冷卻系統(tǒng)中可以有效冷卻。雖然從熱負(fù)荷角度來(lái)看這是最有效的冷卻方法，但介電流體會(huì)給模塊連接器帶來(lái)挑戰(zhàn)，主要是影響信號(hào)完整性。光學(xué)模塊和 I/O 連接器通常在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)假定周?chē)碾娊橘|(zhì)是空氣，將空氣替換為其他電介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致耦合效率低下。因此，浸入式冷卻機(jī)架安裝設(shè)備中的 112G 和 224G 通道將需要與介電流體兼容的專(zhuān)用模塊。如果優(yōu)先選擇浸入式冷卻，較低的效率和更專(zhuān)業(yè)的構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致每個(gè)機(jī)架單元的成本更高。