دراسة التصميم الحراري للوحدة البصرية 200G QSFP-DD LR4

بفضل الانتشار السريع لشبكات اتصالات الجيل الخامس وبناء مركز البيانات عالي السعة في جميع أنحاء العالم ، يزداد الطلب على النطاق الترددي للاتصالات. يتزايد الطلب على سعة نقل بصرية تتجاوز 5 جيجا في الطبقات التجميعية والأساسية لشبكات النقل البصري 100G والطلب على النطاق الترددي في مراكز البيانات بسرعة. تدفع هذه العوامل النشر السريع للوحدات الضوئية 5 / 200G مع معدلات إرسال أعلى.

من ناحية أخرى ، تقود المتطلبات منخفضة الكربون والأخضر منخفضة الكربون تطوير الوحدات الضوئية للتعبئة المصغرة وأشكال التغليف المدمجة مثل Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) و Octal Small Form Factor Pluggable (OSFP) تحل تدريجياً محل 100G Centum Form-factor Pluggable (CFP) وشكلها المحسّن CFP2 كعوامل الشكل الرئيسية للوحدات البصرية 200G و 400G.

QSFP-DD عبارة عن حزمة جديدة من الوحدات عالية السرعة القابلة للتوصيل والتي تم إصدار مواصفاتها في عام 2016 وحظيت باهتمام كبير ، وبعد عدة تعديلات ، أصبحت منتجات QSFP-DD متاحة في عام 2018. تحتوي الواجهة الكهربائية للحزمة على 8 قنوات ويمكنها يمكن استخدامها لنقل شبكة 200 أو 400G عبر تعديل عدم الرجوع إلى الصفر (NRZ) أو 4 تعديل سعة النبض (PAM4). ساعد توافقها مع QSFP + / QSFP28 / QSFP56 وحزم QSFP الأخرى الصناعة على تلبية الطلب على الجيل التالي من الوحدات البصرية عالية الكثافة وعالية السرعة القابلة للتوصيل ، ويتم استخدام الوحدات البصرية 200 / 400G في حزم QSFP-DD بشكل متزايد .

مع الانتشار الواسع للوحدات الضوئية عالية السرعة بمعدلات تزيد عن 100 جيجابت ، أصبحت مسألة تبديد حرارة الوحدة تحت مزيد من التدقيق. يأخذ FiberMall 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) وحدة بصرية ككائن بحث ، ونماذج وتحليل تأثير المشتت الحراري على تغيير درجة الحرارة الداخلية للوحدة أثناء التشغيل ، ودراسة تأثير تبديد الحرارة داخل الوحدة تحت معايير مختلفة ، والذي يوفر مرجعًا لاختيار معلمات المشتت الحراري وتحسين الوحدة البصرية QSFP-DD.

1. نموذج محاكاة للتحليل الحراري للوحدة الضوئية QSFP-DD

بالمقارنة مع الوحدات البصرية QSFP المعبأة ، فإن 200G و 400 جرام QSFP-DD تعمل الوحدات الضوئية المعبأة على زيادة معدل النقل والحد الأقصى لاستهلاك الطاقة بشكل كبير مع تغيير ضئيل للغاية في مساحة الأبعاد الداخلية. على سبيل المثال ، استهلاك الطاقة للوحدة الضوئية 100G QSFP28 LR4 هو 3.5 واط فقط ، في حين أن استهلاك الطاقة للوحدة الضوئية 200G QSFP-DD LR4 يزيد عن 6 واط ، وهذا سيزيد بشكل كبير من الحرارة ودرجة الحرارة داخل الوحدة تحت نفس الظروف ، ومتطلبات 70 درجة مئوية للوحدات البصرية التجارية تجعل متطلبات تبديد الحرارة الداخلية للوحدة تصبح أكثر صرامة. لذلك ، من الضروري تحليل ودراسة تبديد الحرارة الداخلي للوحدات البصرية QSFP-DD.

تتبنى هذه المقالة طريقة التحليل الحراري للحالة المستقرة ، بناءً على معادلة توازن الحرارة لمبدأ الحفاظ على الطاقة ، وتدرس ثلاثة أنواع من أوضاع نقل الحرارة: التوصيل الحراري ، والحمل الحراري ، والإشعاع الحراري. بالنظر إلى الظروف الحدودية لدرجة حرارة ثابتة ومعلومات الطاقة والتوصيل الحراري لكل مكون في الوحدة الضوئية ، يتم حساب توزيع درجة الحرارة في الحالة المستقرة داخل الوحدة بطريقة العناصر المحدودة. بالنسبة للوحدة البصرية من الدرجة التجارية QSFP-DD ، تحدد المحاكاة حالة حدود درجة الحرارة عند 70 درجة مئوية مع الإشارة إلى متطلبات البروتوكول التي يجب ألا تتجاوز درجة حرارة الحالة 70 درجة مئوية.

تشمل المكونات الرئيسية لتوليد الحرارة داخل الوحدة البصرية 200G QSFP-DD LR4 التجميع الفرعي البصري لجهاز الإرسال (TOSA) ، والتجميع الفرعي البصري لجهاز الاستقبال (ROSA) ، ومعالجة الإشارات الرقمية (DSP) ، ووحدة التحكم الدقيقة (MCU) وشريحة إمداد الطاقة ، وما إلى ذلك. وحدات ، غالبًا ما يتم تثبيت هذه الرقائق على جانبي لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لتناسب مكونات كافية في مساحة داخلية مضغوطة ، مما يسهل أيضًا نقل الحرارة عبر جانبي الوحدة. بناءً على مواصفات أبعاد حزمة QSFP-DD ، تم إنشاء نموذج محاكاة كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: نموذج المحاكاة الحرارية لـ 200G QSFP-DD LR4

ترد المعلمات المتعلقة بالتحليل الحراري لكل مكون رئيسي في الجدول 1 بناءً على النتائج المقاسة.

الجدول 1: Sمعلمات المحاكاة من ممكون العينs  

المحتوى	الموصلية الحرارية / W / mK	القيمة الحرارية / دبليو	الحجم / سم مكعب	معدل تحرير الحرارة / واط / سم مكعب
توسا	17.3	1.5	0.57	2.58
ROSA	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
رقاقة إمداد الطاقة	124	0.3	0.0059	50.04

2 نتائج المحاكاة

2.1 توزيع درجة الحرارة داخل الوحدة

يوضح الشكل 70 توزيع درجة الحرارة داخل الوحدة عند درجة حرارة حالة 2 درجة مئوية ، والتي يتم الحصول عليها من خلال طريقة تحليل الثبات الحراري للنموذج أعلاه.

الشكل 2: توزيع درجة الحرارة الداخلية لوحدة 200G QSFP-DD LR4 عند درجة حرارة 70 درجة مئوية

يتم عرض درجات حرارة كل مكون رئيسي في الجدول 2.

الجدول 2 درجة حرارة كل جهاز رئيسي داخل وحدة 200GQSFP-DD LR4 عند درجة حرارة 70 درجة مئوية

المحتوى	توسا	ROSA	DSP	MCU	رقاقة إمداد الطاقة
درجة الحرارة / درجة مئوية	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

كما يتضح من الجدول 2 ، فإن درجة حرارة معظم المناطق داخل الوحدة أعلى بكثير من 70 درجة مئوية في حالة الاستقرار الداخلي عند درجة حرارة الحالة 70 درجة مئوية. من أجل ضمان التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) وأداء التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) للوحدة ، يجب إغلاق الوحدة من الداخل. لهذا السبب ، لا يمكن أن يحتوي الجزء الداخلي من الوحدة على هواء للتبادل الحراري بالحمل مثل الأداة ، أي أن الطريقة الرئيسية لتبديد الحرارة هي التوصيل الحراري.

يمكن لمكون تسخين الوحدة فقط توصيل الحرارة عبر الهواء ، بينما تكون الموصلية الحرارية للهواء منخفضة جدًا (0.03 واط / مللي كلفن) ، مما يعني أنه من الصعب تبديد الحرارة الناتجة عن المكونات في المساحة الصغيرة داخل الوحدة. هذا ينطبق بشكل خاص على DSP. يتجاوز ارتفاع درجة الحرارة 30 درجة مئوية عندما تكون درجة حرارة الهيكل 70 درجة مئوية ، وهو ما يتجاوز نطاق درجة حرارة التشغيل العادية لـ DSP. إذا كانت الوحدة في درجة حرارة عالية لفترة طويلة ، فسوف يتأثر التشغيل العادي لكل مكون وحتى الجهاز

إذا لم يتم اتخاذ أي تدابير ، فإن 200 جرام QSFP-DD تتميز وحدة LR4 بخطر كبير من الفشل عند درجة حرارة عالية تصل إلى 70 درجة مئوية ، لذلك ، من الضروري تحسين ظروف تبديد الحرارة للحد بشكل فعال من درجة حرارة كل مكون إلى نطاق آمن وضمان التشغيل الطبيعي للوحدة الضوئية عند درجة حرارة الحالة 70 درجة مئوية لفترة طويلة.

2.2 محاكاة تحسين تبديد الحرارة بواسطة الوسادات الموصلة الحرارية

فيلم السيليكون المملوء بالجسيمات الخزفية عبارة عن مادة لملء الفراغ مع الموصلية الحرارية الجيدة ، وغالبًا ما تستخدم كوسادة موصلة حرارية لملء الفجوة بين مكون توليد الحرارة وحالة المنتج. بالإضافة إلى الموصلية الحرارية الجيدة ، يمكن لخصائص الالتصاق والضغط الجيدة تفريغ الهواء بين جهاز توليد الحرارة والحالة ، من أجل تحقيق الاتصال الكامل وتعزيز تأثير تبديد الحرارة. مع زيادة استهلاك الطاقة للوحدات الضوئية ، تم استخدام الوسادات الموصلة الحرارية على نطاق واسع لتحسين ظروف تبديد الحرارة داخل الوحدات.

يتم وضع الوسادات الحرارية على المكونات الخمسة الرئيسية لتوليد الحرارة كما هو موضح في الشكل 3. يتم وضع الوسادات على السطح العلوي لـ DSP و MCU ورقاقة إمداد الطاقة والأسطح العلوية والسفلية لـ TOSA و ROSA ، بحيث كلا جانبي الوسادات على اتصال مع أسطح المكونات والعلبة ، على التوالي ، لغرض توصيل الحرارة المتولدة إلى العلبة. الموصلية الحرارية للوسادة المستخدمة في المحاكاة هي 7 واط ، وفجوة الملء 1 مم.

الشكل 3: رسم تخطيطي لوسادة التوصيل الحراري الموضوعة داخل الوحدة

يظهر توزيع درجة الحرارة داخل الوحدة في الشكل 4. ويوضح الشكل 5 مقارنة درجة حرارة المكونات الرئيسية مع الوسادة الحرارية وبدونها.

الشكل 4: توزيع درجة الحرارة داخل الوحدة بعد ملء الوسادة الموصلة الحرارية

الشكل 5: مقارنة درجة حرارة المكونات الرئيسية داخل الوحدة قبل وبعد ملء وسادة التوصيل الحراري

كما يتضح من الشكل 5 ، بعد ملء الوسادة الحرارية ، تنخفض درجة حرارة الحالة المستقرة لجميع المكونات الرئيسية بشكل كبير ، مع انخفاض درجة حرارة شريحة DSP إلى أقل من 80 درجة مئوية ودرجة حرارة أجهزة TOSA و ROSA تنخفض إلى ما يقرب من 70 درجة مئوية ، كلها في نطاق درجة حرارة التشغيل العادية. لذلك ، فإن ملء الوسادة الحرارية يمكن أن يحسن بشكل فعال حالة تبديد الحرارة داخل الوحدة ويضمن التشغيل الطبيعي لكل مكون تحت درجة حرارة عالية.

2.3 تأثير معامل الموصلية الحرارية على تبديد الحرارة

الحفاظ على المتغيرات الأخرى دون تغيير ، وتغيير التوصيل الحراري للوسادة المملوءة ، ومحاكاة تغير درجة الحرارة الداخلية للوحدة عندما تمتلئ بوسادات ذات موصلية حرارية مختلفة ، كما هو موضح في الشكل 6.

الشكل 6: تغيرات درجة حرارة المكونات الرئيسية داخل الوحدة عندما تمتلئ بوسادات ذات موصلية حرارية مختلفة

كما يتضح من الشكل 6 ، مع زيادة التوصيل الحراري للوسادة الموصلة للحرارة ، ستنخفض درجة حرارة كل عنصر تسخين ، خاصة بالنسبة للجهاز الذي يحتوي على حرارة كبيرة مثل DSP ، يكون تأثير التبريد أكثر وضوحًا. ومع ذلك ، فإن العلاقة بين درجة الحرارة وتغير التوصيل الحراري للوسادة الموصلة الحرارية ليست خطية ، ويتناقص نطاق انخفاض درجة الحرارة مع زيادة التوصيل الحراري.

2.4 تأثير سد الفجوات على درجة حرارة عناصر التسخين

الحفاظ على المتغيرات الأخرى دون تغيير ، اضبط التوصيل الحراري للوسادة الحرارية على 7 واط / م · كلفن. قم بتغيير الفجوة بين سطح عنصر التسخين وحالة الوحدة ، ثم قم بمحاكاة التغيير في توزيع درجة الحرارة داخل الوحدة مع فجوات ملء مختلفة ، كما هو موضح في الشكل 7.

الشكل 7: تغيرات درجة الحرارة للمكونات الرئيسية في الوحدة في ظل ظروف ملء فجوة مختلفة

يتضح من الشكل أنه مع زيادة فجوة الملء ، سترتفع درجة حرارة كل عنصر تسخين وفقًا لذلك. خاصة بالنسبة للأجهزة ذات التوليد الكبير للحرارة مثل DSP ، يكون تأثير ارتفاع درجة الحرارة واضحًا إلى حد ما. وذلك لأن الموصلية الحرارية للرقاقة والصدفة تقارب 15 ضعف الموصلية الحرارية للوسادة الموصلة للحرارة. في مسار تبديد الحرارة لعنصر التسخين والقشرة ، كلما زادت سماكة الوسادة ، زادت المقاومة الحرارية ، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر. كما هو موضح في الشكل ، فإن فجوة الملء ودرجة الحرارة قريبة من العلاقة الخطية ، وذلك لأن الوسادة الموصلة للحرارة تغطي سطح عنصر التسخين بالكامل ، بحيث يتم نقل كل حرارة عنصر التسخين إلى الغلاف من خلال الحرارة وسادة موصلة.

من نتائج المحاكاة ، يمكن ملاحظة أن الوسادات الموصلة للحرارة ذات الموصلية الحرارية العالية تحتاج إلى استخدامها. ومع ذلك ، فإن تكلفة الوسادة الموصلة للحرارة ذات الموصلية الحرارية العالية أعلى ، والمواد صلبة وليس من السهل ضغطها. لذلك ، عند اختيار الموصلية الحرارية للوسادة الموصلة للحرارة ، يجب مراعاة خصائص التوصيل الحراري وصلابة المواد والتكلفة بشكل شامل. على الرغم من أن فجوة الملء أصغر ، كلما انخفض ارتفاع درجة الحرارة ، يجب أن يأخذ حجم تصميم الفجوة أيضًا في الاعتبار خطأ ارتفاع الغلاف وعنصر التسخين ومعدل الضغط المناسب للوسادة الموصلة للحرارة. بشكل عام ، يتم الحفاظ على معدل ضغط الوسادة الحرارية بين 20٪ و 25٪ في الصناعة ، والتي لا تضمن فقط أن الوسادة الحرارية يمكن ملؤها بالكامل في الفجوة ، ولكن أيضًا تضمن أن الجهاز لن يتأثر الإجهاد بسبب الضغط المفرط للوسادة الحرارية. لذلك ، فإن حجم التصميم العام للفجوة هو 0.6 مم ، وملء وسادة حرارية 0.8 مم.

3. قياس أداء الوحدة

بعد تحسين التصميم ، استخدمنا وسادات موصلة حرارية بموصلية حرارية 7 واط وفجوة 0.8 مم ، والتي تم توصيلها بالمكونات الداخلية الرئيسية للوحدة كما هو موضح في الشكل 3. كان أداء الإرسال والاستقبال للوحدة تم اختباره في درجة حرارة محيطة تبلغ 70 درجة مئوية كما هو موضح في الشكل 8.

الشكل 8: رسم تخطيطي للعين للوحدة البصرية 200GQSFP-DD LR4 عند 70 درجة مئوية تم قياسها

مؤشرات الأداء الرئيسية للوحدة ، بما في ذلك رباعي إغلاق العين لتشتت جهاز الإرسال (TDECQ) ، ونسبة الانقراض (ER) وحساسية الاستلام ، موضحة في الجدول 3. جميع المؤشرات تفي بمتطلبات البروتوكول ، ويمكن للوحدة أن تعمل بشكل طبيعي في درجة حرارة عالية. في الوقت نفسه ، يتم أيضًا اختبار استهلاك الطاقة للوحدة الضوئية ودرجة الحرارة المقاسة بواسطة المستشعر المدمج. درجة الحرارة المقاسة في الوحدة الضوئية أعلى بكثير من درجة الحرارة المحيطة. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة غلاف الوحدة 70 درجة مئوية ، تكون درجة الحرارة المقاسة داخل الوحدة حوالي 76 درجة مئوية ، مما يشير إلى أن تبديد الحرارة الكلي داخل الوحدة جيد ويمكن للرقائق الحفاظ على درجة حرارة العمل العادية.

الجدول 3 مؤشرات الأداء الرئيسية للوحدة البصرية 200GQSFP-DD LR4 المقاسة عند 70 درجة مئوية

	القناة 0	القناة 1	القناة 2	القناة 3
TDECQ / ديسيبل	2.944	2.737	2.598	2.439
نسبة الانقراض / ديسيبل	4.195	4.047	4.34	3.958
استقبال الحساسية / ديسيبل	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

الجدول 4 قياس استهلاك الطاقة ودرجة الحرارة الداخلية

درجة الحرارة المحيطة / درجة مئوية	0	25	70
درجة الحرارة الداخلية للوحدة /	7.55	32.1	76.8
استهلاك الطاقة / وات	5.15	5.31	6.3

4. اختتام

في سيناريوهات التطبيق العملي ، يرتبط التبديد الكلي للحرارة للوحدة الضوئية ارتباطًا وثيقًا بالبيئة الداخلية والبيئة الخارجية للوحدة. تظهر بعض نتائج البحث أن الهيكل الخارجي وتدفق الهواء المحيط للوحدة الضوئية سيؤثر على تأثير تبديد الحرارة الكلي للوحدة ، ومن ثم يؤثر على تشغيلها المستقر.

تدرس هذه المقالة بشكل أساسي تأثير البيئة على تبديد الحرارة للوحدة الضوئية ، وخاصة تأثير العوامل المختلفة للوسادة الموصلة الحرارية على تأثير تبديد الحرارة 200 جرام QSFP-DD LR4 وحدة بصرية. تم التحقق من أن إضافة وسادة تبديد الحرارة لها تأثير واضح على تقليل درجة الحرارة الداخلية للوحدة الضوئية المعبأة QSFP-DD ، وأن الوحدة تلبي المعيار في بيئة درجة الحرارة المرتفعة البالغة 70 درجة مئوية. توفر هذه النتائج مرجعًا للتصميم الحراري للوحدات البصرية 200G QSFP-DD ذات المواصفات المختلفة ، ويمكن تمديدها إلى 400 جيجا أو حتى 800 جرام QSFP-DD وحدات بصرية ، توفر تجربة مفيدة للتطبيق العملي واسع النطاق للوحدات البصرية في شكل تغليف QSFP-DD.