Principales contraintes de conception pour le refroidissement liquide de la plaque froide des émetteurs-récepteurs optiques Stack-OSFP

Avant-propos 

L'industrie des centres de données a déjà largement adopté les modules optiques 800G/1.6T, et la demande en refroidissement liquide par plaque froide pour ces modules a considérablement augmenté. Afin de répondre à cette demande, la version V5.22 de l'OSFP-MSA intègre des solutions de refroidissement liquide par plaque froide. Actuellement, certaines solutions existent déjà pour les modules optiques monocouches, comme les systèmes combinant caloduc et plaque froide déportée. Cependant, pour les modules optiques Stack-OSFP refroidis par plaque froide, aucune solution technique éprouvée n'est encore disponible, et de nombreux fournisseurs travaillent encore sur des prototypes et des solutions innovantes. Cet article synthétise et organise les contraintes de conception relatives au refroidissement liquide par plaque froide des modules optiques Stack-OSFP, telles que spécifiées dans la dernière version du protocole MSA.

Dimensions du boîtier du module OSFP (sans IHS)

Pour permettre le refroidissement liquide par plaque froide des modules optiques, le module optique OSFP doit être dépourvu de son IHS. Dans ce cas, les dimensions du corps du module optique sont les suivantes :

1. Largeur du module 22.58 mm
2. Hauteur du module : 9.5 mm, avec une tolérance de -0.2 à 0.1 mm, soit un écart dimensionnel maximal de 0.3 mm pour le corps du module optique.
3. Surface de contact autorisée avec la plaque froide : 16.6 mm × 62.2 ± 0.5 mm

Cage empilée pour refroidissement liquide par plaque froide

Pour rencontrer la plaque froide refroidissement par liquide Pour répondre aux exigences relatives aux modules optiques double couche, les dimensions de la cage Stack ont ​​subi des modifications importantes. La cage est désormais divisée en deux segments, permettant ainsi une installation segmentée.

Hauteur entre le couvercle supérieur du boîtier inférieur et la carte de circuit imprimé : 11.15 mm

Hauteur libre de la cage double couche : 9.5 mm, profondeur maximale 68 mm, compatible avec la plaque froide du module optique inférieur

Hauteur totale de la cage : 31.05 mm. Zone d'ouverture supérieure de la cage : 61.6 × 18 mm. La zone du bossage de la plaque froide doit être plus petite que cette taille pour permettre l'installation et l'ajustement du module optique.

Pour renforcer la cage, une certaine largeur est réservée à l'extrémité arrière et la taille maximale de l'ouverture est ajustée à 58 × 18 mm.

La longueur est réduite de 3.6 mm par rapport à la cage supérieure. Afin de garantir la cohérence des structures des plaques froides des modules optiques des couches supérieure et inférieure, la conception doit respecter les dimensions d'ouverture de la couche inférieure.

La hauteur nette indiquée pour la cage monocouche est de 9.9 ± 0.1 mm. On constate que l'écart maximal possible entre la cage et le module optique est de 0.2 à 0.7 mm.

Exigences thermiques et mécaniques supplémentaires du module OSFP

Force d'insertion/extraction

1. Force d'insertion maximale 40 N (avec RHS maximum 55 N) ;
2. Force d'extraction maximale : 30 N (45 N avec le côté droit). Si le module optique utilise un système de refroidissement liquide par plaque froide, la force d'insertion maximale est alors de 55 N, comme pour le côté droit.

Exigence de planéité du module optique 

Pour les scénarios supérieurs à 14 W, correspondant aux modules optiques 800G et plus, la planéité de surface du module optique ne doit pas dépasser 0.05 mm et sa rugosité Ra 0.8 μm. La conception de la plaque froide du module optique doit tenir compte de cette exigence.

Exigence d'appui aérodynamique du module optique RHS 

Le protocole MSA prévoit deux exigences de force de serrage pour Modules optiques OSFPConcernant les cages RHS : la section 5.5 exige une force maximale de 36 N et la section 12.8, une force maximale de 50 N. Le chapitre 12 de la MSA étant une version mise à jour pour les modules optiques OSFP après suppression de l’IHS, et la structure de la cage décrite dans ce chapitre étant conçue avec une hauteur de dégagement de 9.5 mm, il est recommandé, pour les cages empilables, de ne pas dépasser 50 N de force d’appui lors de la conception de la plaque froide du module optique. En supposant une surface de contact de 16.6 × 50 mm entre la plaque froide inférieure et le module optique, la pression de surface sous une force d’appui de 50 N est d’environ 8.3 psi. On constate ainsi que la pression de contact entre le module optique et la plaque froide est extrêmement faible.

Échantillons physiques de cage pour module optique OSFP et de plaque froide

La structure de cage prototypée selon cette version du protocole MSA est illustrée ci-dessous. La plaque froide du module optique inférieur doit assurer un refroidissement liquide fiable et économique, tout en respectant les contraintes dimensionnelles de 9.5 mm de hauteur et 68 mm de profondeur.

Actuellement, certains fabricants de connecteurs proposent déjà des solutions de plaques froides pour les cages Stack. Par exemple, la solution d'Amphenol est une plaque froide intégrée qui assure le refroidissement liquide simultané de huit modules optiques, un sur chaque couche (supérieure et inférieure). D'après les informations officielles, cette plaque froide présente les caractéristiques suivantes :

1. Plaque froide monobloc partagée par 8 modules optiques chacun sur les couches supérieure et inférieure (16 ports au total) ;
2. Capacité de refroidissement maximale 40 W ;
3. Chargement par ressort indépendant pour chaque port afin d'assurer le contact ;
4. Une seule entrée et une seule sortie pour 16 modules optiques, ce qui maximise la fiabilité et réduit les risques de fuite ;
5. La pression de l'eau du fluide n'affecte pas la force d'insertion/extraction (indiquant que la partie flottante n'entre pas en contact avec le liquide de refroidissement et qu'il n'y a pas de joint coulissant ou de scénarios de fuite similaires).

Les performances réelles de dissipation thermique de cette solution après application restent à vérifier.

Résumé

Le module optique OSFP est la solution de format standard pour les capacités de 800 Gbit/s et 1.6 Tbit/s. Les performances de dissipation thermique et la fiabilité de son système de refroidissement liquide par plaque froide sont essentielles à la généralisation et à l'application de cette technologie au refroidissement liquide des modules optiques. La MSA a déjà fourni la conception structurelle recommandée pour le refroidissement liquide par plaque froide des modules optiques. Lors de la conception de plaques froides pour modules optiques OSFP, il est impératif de tenir compte des contraintes clés mentionnées ci-dessus.