Stack-OSFP 광 트랜시버 냉각판 액체 냉각의 주요 설계 제약 조건

머리말 

데이터센터 업계는 이미 800G/1.6T 광 모듈을 대규모로 도입했으며, 광 모듈의 콜드 플레이트 액체 냉각에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 이러한 업계의 요구에 부응하기 위해 OSFP-MSA V5.22 버전에서는 콜드 플레이트 액체 냉각에 적용 가능한 솔루션을 추가했습니다. 현재 업계에는 히트 파이프 + 원격 콜드 플레이트 방식 등 단층 광 모듈에 대한 몇 가지 솔루션이 존재합니다. 그러나 스택 케이지 광 모듈의 콜드 플레이트 액체 냉각에 대해서는 아직 업계에서 성숙한 기술 솔루션이 제공되지 않고 있으며, 많은 공급업체가 여전히 프로토타입 제작 및 새로운 기술 솔루션 연구에 매진하고 있습니다. 본 논문에서는 최신 MSA 프로토콜에 명시된 스택 OSFP 광 모듈 콜드 플레이트 액체 냉각과 관련된 설계 제약 조건을 요약 및 정리합니다.

OSFP 모듈 본체 크기 (IHS 제외)

광 모듈용 콜드 플레이트 액체 냉각을 수용하기 위해 OSFP 광 모듈에서 IHS를 제거해야 합니다. 이때 광 모듈 본체의 크기는 다음과 같습니다.

1. 모듈 너비 22.58mm
2. 모듈 높이는 9.5mm이며, 허용 오차는 -0.2~0.1mm입니다. 즉, 광 모듈 본체의 최대 치수 편차는 0.3mm입니다.
3. 냉각판과의 접촉 허용 면적: 16.6 mm × 62.2 ± 0.5 mm

냉각판 액체 냉각용 스택 케이지

차가운 접시를 만나기 위해 액체 냉각 이중 레이어 광 모듈에 대한 요구 사항으로 인해 스택 케이지의 크기가 크게 변경되었습니다. 케이지는 분할 설치를 지원할 수 있는 2분할형으로 변경되었습니다.

하단 케이지 상단 덮개에서 PCB 기판까지의 높이: 11.15mm

이중 레이어 케이지의 높이 여유 공간: 9.5mm, 최대 깊이 68mm로, 하단 레이어 광학 모듈 냉각판을 수용할 수 있습니다.

케이지 전체 높이: 31.05mm, 상단 케이지 개구부 면적: 61.6 × 18mm. 냉각판 돌출부 면적은 광학 모듈의 설치 및 장착을 위해 이 크기보다 작아야 합니다.

케이지의 강도를 높이기 위해 뒷부분에 일정 너비를 확보했으며, 최대 개구부 크기는 58 × 18 mm로 조정했습니다.

길이 방향은 상부 케이지에 비해 3.6mm 감소합니다. 상부 및 하부 광학 모듈 냉각판 구조를 동일하게 유지하려면 이때 하부 개구부 치수를 따라 설계해야 합니다.

단층 케이지의 순 높이 치수는 9.9 ± 0.1 mm입니다. 케이지와 광학 모듈 사이의 최대 간격 범위는 0.2 ~ 0.7 mm임을 알 수 있습니다.

추가 OSFP 모듈 열 및 기계적 요구 사항

삽입/추출력

1. 최대 삽입력 40N (RHS 최대 55N 포함)
2. 최대 추출력은 30N(RHS 최대값 45N)입니다. 광학 모듈에 냉각판 액체 냉각 방식을 적용하는 경우, RHS 시나리오와 동일하게 간주해야 하므로 최대 삽입력은 55N으로 계산해야 합니다.

광학 모듈 평탄도 요구 사항 

14W 이상의 전력 소모 시나리오(800G 이상의 광 모듈에 해당)에서는 광 모듈 표면의 평탄도가 0.05mm 이하, 표면 조도 Ra가 0.8μm 이하이어야 합니다. 광 모듈 냉각판을 설계할 때는 이러한 요구 사항을 고려해야 합니다.

광학 모듈 RHS 다운포스 요구 사항 

MSA 프로토콜은 두 가지 클램핑력 요구 사항을 제공합니다. OSFP 광학 모듈RHS의 경우, 섹션 5.5에서는 36N을 초과하지 않도록 요구하고, 섹션 12.8에서는 50N을 초과하지 않도록 요구합니다. MSA의 12장은 IHS를 제거한 후 OSFP 광 모듈에 맞게 특별히 업데이트된 장이며, 이 장의 케이지 구조는 9.5mm의 여유 높이로 설계되었으므로, 스택 케이지의 경우 광 모듈 콜드 플레이트를 설계할 때 최대 하중이 50N을 초과하지 않도록 설계하는 것이 좋습니다. 광 모듈과 하부 콜드 플레이트의 접촉 면적을 16.6 × 50mm로 가정하면, 50N의 하중 하에서의 표면 압력은 약 8.3psi입니다. 따라서 광 모듈이 콜드 플레이트와 접촉할 때의 접촉 압력은 매우 낮다는 것을 알 수 있습니다.

OSFP 광 모듈 케이지 + 콜드 플레이트 물리적 샘플

이 MSA 프로토콜 버전에 따라 제작된 케이지 구조 프로토타입은 아래와 같습니다. 하부 광학 모듈 냉각판은 높이 9.5mm, 깊이 68mm의 치수 제약 조건 내에서 높은 신뢰성과 비교적 저렴한 비용의 광학 모듈 냉각 액체 냉각 솔루션을 제공해야 합니다.

현재 업계의 일부 커넥터 제조업체는 스택 케이지용 냉각판 솔루션을 이미 제공하고 있습니다. 예를 들어, 암페놀(Amphenol)에서 제공하는 솔루션은 상단 및 하단 레이어에 각각 8개의 광 모듈에 동시에 액체 냉각을 지원하는 통합형 냉각판입니다. 공식 정보에 따르면 이 냉각판은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

1. 상단 및 하단 레이어에 각각 8개의 광 모듈이 공유하는 일체형 냉각판(총 16개 포트);
2. 최대 냉각 용량 40W;
3. 접촉을 보장하기 위해 각 포트에 독립적인 스프링 장착 방식이 적용되었습니다.
4. 16개의 광 모듈에 대해 입구와 출구가 각각 하나씩만 있어 신뢰성을 극대화하고 누전 위험을 줄입니다.
5. 유체 수압은 삽입/추출력에 영향을 미치지 않습니다(이는 부유 부분이 냉각수와 접촉하지 않으며, 슬라이딩 씰이나 이와 유사한 누출 상황이 없음을 나타냅니다).

이 솔루션을 적용한 후 실제 열 방출 성능은 아직 검증이 필요합니다.

제품 개요

OSFP 광 모듈은 800G 및 1.6T 용량의 주류 폼팩터 솔루션입니다. 광 모듈 액체 냉각에 콜드 플레이트 액체 냉각 기술이 널리 보급되고 적용되려면 콜드 플레이트 액체 냉각 솔루션의 방열 성능과 신뢰성이 매우 중요합니다. MSA는 이미 광 모듈 콜드 플레이트 액체 냉각에 적용 가능한 권장 구조 설계를 제공했습니다. 향후 콜드 플레이트 솔루션 설계 시에는 OSFP 광 모듈 콜드 플레이트를 설계할 때 위의 주요 제약 조건 정보를 참고해야 합니다.