作者 / Joe Dambach Molex公司

摘要：高密度的 QSFP-DD 光端機可以使制造商生產(chǎn)出更具競爭力的網(wǎng)絡服務器、交換機和存儲產(chǎn)品，為日益提高的數(shù)據(jù)流量以及更加復雜的數(shù)據(jù)中心與電信網(wǎng)絡提供支持，致力于為制造商帶來巨大的價值。

　　圍繞著SFP、SFP+、QSFP、QSFP+ 和 zQSFP 等形形色色的小體積可插拔模塊而開發(fā)的一系列高速度高密度解決方案，在數(shù)據(jù)中心的交換機和網(wǎng)絡設備領域取得了極大的吸引力。隨著行業(yè)為下一代銅纜和光纜QSFP-DD收發(fā)機的發(fā)布而準備就緒，熱管理策略發(fā)揮著關鍵性的作用。

　　“小”體積可插拔I/O這一名稱具有一定的迷惑性。這類體積小巧而又功能強大的連接器在高密度網(wǎng)絡上發(fā)揮著主要作用，可以處理手機和移動設備、流媒體內(nèi)容、數(shù)字自動化和工業(yè)傳感器、人工智能、預測分析以及一系列其他數(shù)據(jù)驅(qū)動技術所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。

　　據(jù)分析師預測，截至2020年，物聯(lián)網(wǎng)可能會連接起多達2000億臺設備(來源：IDC、英特爾、聯(lián)合國)。數(shù)據(jù)中心的增長速度異常迅猛，而不斷上升的需求以及數(shù)據(jù)量都在使密度與功率接近極限。芯片、交換機、連接器、線纜及光學模塊技術都屬于網(wǎng)絡的核心領域，對每一分支領域都產(chǎn)生著深遠的影響，一直延伸到個人與企業(yè)，在這類環(huán)境下，延遲或停機都會很快導致營收和商業(yè)機會上遭受多達數(shù)百萬美元的損失。

　　如果沒有所需的關鍵性基礎設施來為未來的數(shù)據(jù)速率提供支持，那么現(xiàn)存的瓶頸情況將愈發(fā)惡化。以后將需要在存儲、服務器和交換機上作出進一步的投入，保存數(shù)據(jù)并使數(shù)據(jù)可即時訪問。沒有對未來的高速及高密度數(shù)據(jù)準備就緒的數(shù)據(jù)中心將日益面對延遲問題，最終遠遠落后于競爭對手。

　　為網(wǎng)絡、服務器和存儲設備提供無縫可靠的連接，對于確?？焖?、有效而又安全的數(shù)據(jù)流動至關重要。數(shù)據(jù)中心必須能夠支持更快的處理速度、更寬的帶寬以及更高的密度。為了做到這一點，需要極好地配合并集成I/O連接功能，協(xié)調(diào)來自不同供應商的 IT設備之間的互操作性。工作量越大或者復雜性越高，使各個組成部分相互平衡、良好指定其用途的重要程度就越高，這樣才不會由于疏忽而造成瓶頸，進而影響到性能。

　　可插拔I/O產(chǎn)品的產(chǎn)品組合經(jīng)過了不斷的演進，全部都圍繞著各種可插拔的I/O模塊形式而發(fā)展，每種產(chǎn)品變型都具有不同的帶寬、距離以及銅纜或光纜連接功能。每條特定的鏈路都采用光纜或銅纜接口，以經(jīng)濟節(jié)省的方式進行定義。可插拔I/O解決方案的設計在數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)常用的各種距離上都支持最快的數(shù)據(jù)速率，而延遲和插入損耗更低，具有出色的信號完整性、電磁干擾(EMI)保護功能及熱管理性能。

可擴展可互操作的I/O升級路徑

　　高速、高密度的可插拔I/O解決方案為高密度應用提供了一種高度可擴展的升級路徑。自從SFP的形狀系數(shù)引入了1Gbps的數(shù)據(jù)速率以來，行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了很長的一段時期。QSFP光端機新增了配置選項，將密度和速度推向100Gbps。QSFP+熱插拔光端機應用廣泛，專為高密度數(shù)據(jù)通信而設計，集成了四條發(fā)射信道及四條接收信道，提高了端口密度并進一步降低了成本，無需再購買更多數(shù)量的傳統(tǒng)式SFP+產(chǎn)品。zQSFP+系統(tǒng)滿足對高密度的要求，在四條通道上的數(shù)據(jù)速率高達28Gbps，在數(shù)據(jù)中心的高性能計算、交換機、路由器和存儲方面已成為一種普遍的選擇，具有較高的價值。

　　滿足數(shù)量增長迅猛的無線設備對帶寬的要求，已經(jīng)成為服務器農(nóng)場設計中提高密度的一項催化劑。高度集成的QSFP系統(tǒng)將空間、功率和端口密度有效地結合到一起，通常將包含連接器、電磁干擾屏蔽籠、銅纜和光纜組件、有源光纜(AOC)、光學回路，以及主機連接器。zQSFP+互連解決方案支持下一代100Gbps以太網(wǎng)和100Gbps InfiniBand增強數(shù)據(jù)速率應用，以每條串行通道25Gbps，的數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)，具有出色的信號完整性、電磁干擾防護性能以及熱冷卻功能。

下一代QSFP-DD形狀系數(shù)使速度提升四倍

　　網(wǎng)絡依靠交換技術來處理及管理數(shù)據(jù)流量。隨著數(shù)據(jù)使用量的不斷上升，處于網(wǎng)絡上核心地位的交換機可以保持數(shù)據(jù)的順暢流動。高密度解決方案可以在一定程度上緩解核心交換機的壓力。連接器不可以構成瓶頸。市場上的硅片已經(jīng)可以支持256條差分通道。缺失的鏈路作為一種連接器的形狀系數(shù)，可以提供充分的密度，在一個機架單元的安裝盒中即可支持這一數(shù)量的通道，同時對熱工及信號完整性進行管理。

　　行業(yè)當前正處于下一代QSFP解決方案的開發(fā)過程中，與交換技術最近的發(fā)展情況保持一致。在 2016年達成了QSFP-DD MSA，解決技術上的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)雙密度的接口，并為不同制造商生產(chǎn)的模塊組件確保機械、電氣、熱工和信號完整性上的互操作性。

　　作為一家QSFP-DD MSA的發(fā)起者和推廣者，Molex與其他52家公司開展了密切合作，滿足業(yè)界對高密度高速度網(wǎng)絡解決方案的需求。集團最近為這一新的形狀系數(shù)發(fā)布了規(guī)范，可以克服之前在指定 QSFP28兼容雙密度接口時遇到的技術挑戰(zhàn)。

　　四分之一小形狀系數(shù)可插拔雙密度(QSFP-DD)規(guī)范定義了一種模塊、一種堆疊式的集成箱體/連接器系統(tǒng)，以及一種表面貼裝的箱體/連接器系統(tǒng)。這一新的形狀系數(shù)對標準的QSFP四通道接口進行了拓展，增加了一排觸點，從而提供八通道的電氣接口，其中每條通道都可在采用非歸零碼(NRZ)調(diào)制的情況下、在高達25Gbps的速率下運行，或者在采用脈沖調(diào)幅 (PAM4)的情況下、在高達50Gbps的速率下運行。

　　此次功能適應使得QSFP-DD可以在每個QSFP-DD端口上滿足解決方案對200 Gbps速率的要求，或者對400Gbps聚合速率的要求。一個單獨的交換機插槽即可支持多達36個QSFP-DD模塊。因此，總?cè)萘靠蛇_到14.4 Tbps。

有效的冷卻和熱管理為投資提供保護

　　從SFP+(1x10Gbps)到QSFP+(4x10Gbps)、zQSFP+(4x25Gbps)，一直到現(xiàn)在的QSFP-DD(8x25 Gbps NRZ/50 Gbps PAM4)，隨著收發(fā)機速度的不斷增加，用于傳輸信號的能量也隨之增加，產(chǎn)生越來越多的熱量。冷卻和熱管理對于連接器模塊以及網(wǎng)絡的總功耗、能效、性能與壽命來說，都具有至關重要的作用。

　　散熱器技術的發(fā)展可以實現(xiàn)高效、可靠而又具有彈性的熱管理策略，同時支持更高密度的銅纜與光纜連接。QSFP光學模塊設計可在最高70℃的溫度下運行。超過這一溫度后，光學元件的性能將會降低，而壽命則會縮短。由于價格點已經(jīng)下調(diào)，光纖組件仍然是一種成本相對高昂的投資對象，由于存在著極端溫度而承受一定的風險。

　　通道數(shù)量少于四條I/O模塊通道通?？梢酝ㄟ^用于冷卻其他組件的氣流來進行冷卻。采用四條信號通道的 QSFP形狀系數(shù)需要結合氣流與散熱器使用。zQSFP形狀系數(shù)最初并不適用散熱器，僅依靠氣流來對模塊進行冷卻。隨著數(shù)據(jù)密度的不斷提高，各種散熱器被添加到了模塊的中心和頂部，以及箱體結構上，從而改善氣流及冷卻效果。

　　由于zQSFP+的速度超過了100Gbps，而電力負載超過了4W，系統(tǒng)管理及光學模塊溫度的管理上就面臨更多挑戰(zhàn)，從而不超過70℃的最高溫度?？傮w設計必須通過整個箱體來操控氣流，采用散熱器則可以將模塊上的能量轉(zhuǎn)移到存在氣流的區(qū)域。Molex已經(jīng)開發(fā)并演示了創(chuàng)新性的通流和內(nèi)部自調(diào)整式散熱器(IRHS)技術，為在高達5W或更高的功率下運行的堆疊式zQSFP+模塊提供熱管理。

　　Molex進行的測試主要關注于最高環(huán)境溫度約為 45℃的企業(yè)應用，對通流式箱體進行了比較，該箱體針對模塊內(nèi)所產(chǎn)生能量的管理進行了優(yōu)化。對5W的光學模塊進行模擬，采用的風洞包含了兩個2x1的箱體——一個是氣流增強型箱體，另一個是標準箱體，每一側(cè)都含有兩個zQSFP+模塊，并且包含了電源，以預定的速度在測試區(qū)域中驅(qū)動風扇。

　　通過對這四個模塊中每一個模塊內(nèi)部的溫度進行連續(xù)監(jiān)控，對標準型zQSFP+箱體和氣流增強型箱體的相對性能進行了比較。在采用了增強型的箱體設計、散熱器及能量傳遞策略后，與標準箱體相比，增強型箱體實現(xiàn)了顯著的改進，將冷卻系數(shù)降低了9℃。

　　QSFP-DD模塊在深度略微大于QSFP的空間內(nèi)為八條通道提供支持。這意味著模塊中有八束激光可以發(fā)熱，需要冷卻與散熱。通過有效的使熱能翻倍，3.5W的模塊可以成為7W的模塊，而5W的模塊則可成為10W的模塊，諸如此類。

　　在這類極端的高熱下對熱性能進行管理，將成為前進中至關重要的一步。模塊和箱體設計中采用的先進熱管理技術使QSFP-DD能夠支持至少7W的功率水平，而目標范圍則拓展至10W。Molex與其他MSA合作伙伴以及贊助的成員企業(yè)正在開發(fā)QSFP-DD產(chǎn)品，其箱體和模塊現(xiàn)可供貨，在客戶環(huán)境下進行熱測試。附加工作也已在進行中，為在高達12W或更高功率下運行的QSFP-DD模塊的冷卻開發(fā)各種解決方案。

延長現(xiàn)有平臺的壽命

　　對更高密度以及更好的功率管理和熱管理的需求，將繼續(xù)推動改進型I/O模塊的開發(fā)工作。新型網(wǎng)絡技術的普及率在逐步提升。產(chǎn)業(yè)投資和多廠商的投資有助于確保每一代可插拔I/O之間的互操作性。

　　向下的兼容性可以延長現(xiàn)有平臺的壽命，進一步提高了面向未來的準備程度。例如QSFP和zQSFP+ 共享了相同的配對接口。盡管是一種全新的接口，QSFP-DD還是構建在這些原先的技術基礎之上。雙倍密度指與標準的QSFP28模塊相比，QSFP-DD模塊所支持的高速電氣接口的數(shù)量增加了一倍。為了承受額外的一排觸點，主機板上QSFP-DD的機械接口深度略微大于標準型的QSFP28接口。

　　QSFP-DD的每個端口都有76個電氣觸點，隨著數(shù)據(jù)中心容量的擴展，可以為更高密度應用中的下一代交換芯片提供支持。QSFP-DD已經(jīng)為支持50Gbps 的新型PAM4電調(diào)制格式準備就緒，可以進一步使速度翻倍，從而使速度達到QSFP28模塊的四倍。在初次使用QSFP-DD模塊時，大部分情況都將支持NRZ 調(diào)制的數(shù)據(jù)速率。PAM4允許在給定的帶寬上傳輸更多的信息，但是需要更高的處理能力來為數(shù)據(jù)編碼和解碼，這就容易造成延遲及相應的性能下降問題。

　　采用QSFP-DD模塊設計的系統(tǒng)將向下兼容現(xiàn)有的QSFP形狀系數(shù)，為最終用戶、網(wǎng)絡平臺的設計方以及集成商提供最大的靈活性。除了QSFP-DD規(guī)范可以在給定的面板空間內(nèi)多容納四條通道并使QSFP28 的聚合帶寬提升一倍外，端口的密度是完全一致的。QSFP28模塊可以插入到QSFP-DD中八條電氣通道的四條之中，以便逐步逐量地對線纜和模塊升級。

結論

　　高密度的QSFP-DD光端機可以使制造商生產(chǎn)出更具競爭力的網(wǎng)絡服務器、交換機和存儲產(chǎn)品，為日益提高的數(shù)據(jù)流量以及更加復雜的數(shù)據(jù)中心與電信網(wǎng)絡提供支持，致力于為制造商帶來巨大的價值。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。