服務器和機架式網絡基礎設施系統內的光學 I/O 模塊通常接受主動冷卻系統的直接冷卻，特別是來自機架式設備前面板的強制風冷。機架式設備的散熱設計需要平衡 I/O 模塊的熱管理與處理器或 ASIC 的散熱，以避免 I/O 或 ASIC 工作溫度熱裕度過高。根據處理器冷卻需求和光學 I/O 模塊總功率優化冷卻策略，有助于實現適當的平衡，最大限度地提高系統的能效。

鏈路長度與數據傳輸率

用于 56G 和 112G 的光學 I/O 模塊目前可以使用風冷。在以 112G 或更高的數據傳輸率進行相干光通信時，可插拔光學 I/O 模塊的功率水平 (33W+) 可能需要將液冷措施擴展到模塊。

112G 和 224G 兩代收發器仍將以 IEEE 802.3 標準中定義的標準鏈路長度為目標，因此系統設計人員和數據中心運營商不應期望僅僅為了適應光模塊的更高功率要求而改變標準。這意味著前幾代光模塊中已經存在的熱需求預計會增加，而舊的熱管理方法可能效果不佳。

外形尺寸

可插拔光模塊帶來的挑戰在于，自近 20 年前采用光纖收發器模塊以來，其外形尺寸一直未發生變化。現在，業界正在向 224G 發展，新一代光學 I/O 模塊需要向后兼容現有的機架式設備，以便進行升級。這意味著熱密度將繼續增加，可能導致強制風冷這種冷卻光學 I/O 模塊的唯一方法都不再有效。

散熱

附在光學 I/O 模塊上的散熱片可增強強制風冷系統的冷卻能力，但由于耐用性要求，散熱片受限于金屬與金屬之間的接觸，無法最大限度地傳熱。對于任何散熱片接觸來說，裸金屬接觸都是不可取的，而考慮到過去幾年光模塊功率水平的大幅提高，這一點在 I/O 模塊上尤為明顯。預計每個模塊的功率需求將增加至 40W，將進一步加劇這一瓶頸。要改善裸露金屬接觸表面的熱接觸電阻，可以將熱界面材料 (TIM) 安裝到與可插拔模塊緊密接觸的騎乘式散熱片上，幫助提高傳熱效率。

將 TIM 安裝到騎乘式散熱片的問題在于 TIM 的可靠性。當插入或從屏蔽罩中取出 TIM 時，模塊的鋒利邊緣會刮掉 TIM，導致熱效率在每次插配后都會降低，使它在插入幾次之后就不起作用了。如果這些模塊暴露在惡劣的現場條件下，例如由于電纜負載導致的斜角插入，這種耐用性挑戰會進一步加劇，因為這會使脆弱的 TIM 表面更易暴露于模塊的鋒利邊緣。要確保重復插配的高可靠性，就需要重新設計散熱片接觸方法，以便 TIM 能夠經受住多達 100 次的插配循環。

監測模塊溫度

增加功率密度需要重新評估光模塊的傳統熱表征方法。傳統上，采用 70°C 外殼溫度要求作為熱規格（即作為數字光學監控 (DOM) 溫度的指標）。然而，最近的研究表明，即使外殼溫度達到 70°C，模塊內部的溫度敏感組件仍會有幾度的熱裕度。這會導致對系統熱可行性的結論不準確，進而導致冷卻系統過度運轉。例如，在 I/O 熱性能是限制因素的系統中，風扇會以高于所需的速度運行以滿足外殼溫度要求，即使模塊內部組件還有溫度殘留。一種新的熱表征（本報告稍后將討論）將有助于解決當前方法的這一局限性。

●模塊溫度圖解●

模擬與測試

模擬/預測工程用于優化系統設計、組件放置和冷卻策略，再進行構建和部署。在完成機械設計之前，優化光模塊上的散熱片和強制風冷方法通常需要模擬整個機箱內的氣流。機架安裝服務器在高度和寬度方面是標準化的，大多數部署采用 1RU 外形尺寸。其他組件（例如芯片、附加卡、SSD 等）的放置會影響流經機箱和一排 I/O 模塊的氣流路徑，從而影響冷卻效果。

組件級模擬對于光學 I/O 模塊也很重要，因為它可以識別模塊主體上的熱點。模擬需要考慮模塊本身的內部結構，其次是與孤立模塊的測量結果的相關性。單獨運行溫度測試時，需進行接觸測量和紅外攝像機測量。了解了收發器中的熱特性后，就可以將它用作系統級模擬的輸入信息，然后進行系統級測試和關聯。

●熱模擬系統●

浸入式冷卻

高功率 112G 和 224G 光模塊在浸入式冷卻系統中可以有效冷卻。雖然從熱負荷角度來看這是最有效的冷卻方法，但介電流體會給模塊連接器帶來挑戰，主要是影響信號完整性。光學模塊和 I/O 連接器通常在設計時會假定周圍的電介質是空氣，將空氣替換為其他電介質會導致耦合效率低下。因此，浸入式冷卻機架安裝設備中的 112G 和 224G 通道將需要與介電流體兼容的專用模塊。如果優先選擇浸入式冷卻，較低的效率和更專業的構造會導致每個機架單元的成本更高。