Principais restrições de projeto para resfriamento líquido da placa fria do transceptor óptico Stack-OSFP

Prefácio 

O setor de data centers já adotou módulos ópticos 800G/1.6T em larga escala, e a demanda por resfriamento líquido com placa fria para esses módulos aumentou significativamente. Para atender a essa demanda, a versão 5.22 do protocolo OSFP-MSA adicionou soluções aplicáveis ​​ao resfriamento líquido com placa fria. Atualmente, já existem algumas soluções para módulos ópticos de camada única no mercado, como esquemas de heat pipe + placa fria remota, etc. No entanto, para módulos ópticos Stack-Cage com resfriamento líquido por placa fria, ainda não há uma solução técnica consolidada no mercado, e muitos fornecedores ainda estão prototipando e pesquisando novas soluções. Este artigo resume e organiza as restrições de projeto relacionadas ao resfriamento líquido com placa fria para módulos ópticos Stack-OSFP, conforme especificado no protocolo MSA mais recente.

Dimensões do corpo do módulo OSFP (sem IHS)

Para acomodar o resfriamento líquido por placa fria para módulos ópticos, o módulo óptico OSFP precisa remover o IHS (Interface Helicoidal). Nesse momento, as dimensões do corpo do módulo óptico são as seguintes:

1. Largura do módulo: 22.58 mm
2. A altura do módulo é de 9.5 mm, com uma tolerância de -0.2 a 0.1 mm, ou seja, o desvio dimensional máximo do corpo do módulo óptico é de 0.3 mm.
3. Área de contato permitida com a placa fria: 16.6 mm × 62.2 ± 0.5 mm

Gaiola de empilhamento para resfriamento líquido de placa fria

Para atender à placa fria refrigeração líquida Devido à necessidade de módulos ópticos de dupla camada, as dimensões da estrutura Stack sofreram alterações significativas. A estrutura foi modificada para um modelo dividido em dois segmentos, que permite a instalação segmentada:

Altura da tampa superior da gaiola inferior até a placa de circuito impresso: 11.15 mm

Espaço livre de altura para a gaiola de dupla camada: 9.5 mm, profundidade máxima de 68 mm, pode acomodar a placa fria do módulo óptico da camada inferior.

Altura total da gaiola: 31.05 mm. Área de abertura da gaiola superior: 61.6 × 18 mm; a área do ressalto da placa fria deve ser menor que essas dimensões para permitir a instalação e o encaixe do módulo óptico.

Para aumentar a resistência da gaiola, uma certa largura é reservada na extremidade traseira, e o tamanho máximo da abertura é ajustado para 58 × 18 mm.

O comprimento foi reduzido em 3.6 mm em comparação com a gaiola superior. Caso se deseje manter a consistência das estruturas das placas frias dos módulos ópticos das camadas superior e inferior, o projeto deverá seguir as dimensões de abertura da camada inferior neste momento.

A dimensão da altura líquida fornecida para a gaiola de camada única é de 9.9 ± 0.1 mm. Pode-se observar que a faixa de folga máxima possível entre a gaiola e o módulo óptico é de 0.2 a 0.7 mm.

Requisitos térmicos e mecânicos adicionais do módulo OSFP

Força de Inserção/Extração

1. Força máxima de inserção 40 N (com RHS máximo 55 N);
2. Força máxima de extração de 30 N (com máximo de 45 N no lado direito). Quando o módulo óptico utiliza resfriamento líquido por placa fria, deve-se considerar o mesmo cenário do lado direito, portanto, a força máxima de inserção deve ser de 55 N.

Requisito de planicidade do módulo óptico 

Para cenários acima de 14 W, correspondentes a módulos ópticos de 800G ou superiores, a planicidade da superfície do módulo óptico deve ser de no máximo 0.05 mm e a rugosidade Ra de 0.8 μm. Ao projetar a placa fria do módulo óptico, ela deve ser projetada de acordo com esse requisito.

Requisito de força descendente do lado direito do módulo óptico 

O protocolo MSA prevê dois requisitos de força de fixação para Módulos ópticos OSFPPara ambos os lados (RHS): a Seção 5.5 exige uma força descendente máxima de 36 N, enquanto a Seção 12.8 exige uma força descendente máxima de 50 N. Como o Capítulo 12 do MSA foi atualizado especificamente para módulos ópticos OSFP após a remoção do IHS, e a estrutura da gaiola neste capítulo foi projetada com uma altura livre de 9.5 mm, recomenda-se que, para gaiolas Stack, a força descendente máxima não exceda 50 N ao projetar a placa fria do módulo óptico. Supondo que a área de contato da placa fria da camada inferior com o módulo óptico seja de 16.6 × 50 mm, a pressão superficial sob uma força descendente de 50 N é de aproximadamente 8.3 psi. Pode-se observar que a pressão de contato quando o módulo óptico entra em contato com a placa fria é extremamente baixa.

Amostras físicas da gaiola do módulo óptico OSFP + placa fria

A estrutura da gaiola prototipada de acordo com esta versão do protocolo MSA é mostrada abaixo. A placa fria do módulo óptico da camada inferior precisa fornecer uma solução de resfriamento líquido altamente confiável e relativamente barata, dentro das restrições dimensionais de 9.5 mm de altura e 68 mm de profundidade.

Atualmente, alguns fabricantes de conectores do setor já oferecem soluções de placas frias para gaiolas Stack. Por exemplo, a solução fornecida pela Amphenol é uma placa fria integrada que suporta o resfriamento líquido por placa fria para 8 módulos ópticos em cada uma das camadas superior e inferior simultaneamente. De acordo com informações oficiais, essa placa fria possui as seguintes características:

1. Placa fria de peça única compartilhada por 8 módulos ópticos, cada um nas camadas superior e inferior (total de 16 portas);
2. Capacidade máxima de refrigeração: 40 W;
3. Cada porta possui um sistema de molas independente para garantir o contato;
4. Apenas uma entrada e uma saída para 16 módulos ópticos, maximizando a confiabilidade e reduzindo o risco de vazamento;
5. A pressão da água não afeta a força de inserção/extração (indicando que a parte flutuante não entra em contato com o líquido refrigerante e não há vazamentos por deslizamento da vedação ou situações semelhantes).

O desempenho real de dissipação de calor desta solução após a aplicação ainda precisa ser verificado.

Resumo

O módulo óptico OSFP é a solução de formato convencional para capacidades de 800G e 1.6T. O desempenho de dissipação de calor e a confiabilidade de sua solução de resfriamento líquido por placa fria são cruciais para a ampla promoção e aplicação dessa tecnologia em módulos ópticos. A MSA já forneceu o projeto estrutural recomendado para o resfriamento líquido por placa fria de módulos ópticos. Projetos subsequentes de placas frias devem levar em consideração as principais restrições mencionadas acima ao projetar placas frias para módulos ópticos OSFP.