圍繞著SFP、SFP+、QSFP、QSFP+和zQSFP等各式各樣的小體積可插拔模組而開發的一系列高速度高密度解決方案，在資料中心的交換機和網路設備領域中極受歡迎。熱管理策略則正隨著產業準備推出下一代銅纜和光纜可插拔雙密度(QSFP-DD)收發器而變得日益重要。
「小」尺寸插拔式I/O的名稱容易令人有所誤解。因為這類體積雖然小巧但功能強大的連接器在高密度網路上發揮了重要作用，可以處理手機和行動設備、串流媒體內容、數位自動化和工業感測器、人工智慧、預測分析以及一系列其他資料驅動技術所產生的巨量資料。
根據分析師的預測，截至2020年，物聯網技術可望連接起多達2,000億台的設備(資料來源：IDC、英特爾、聯合國)。資料中心的增長速度異常迅猛，而不斷上升的需求以及資料量都使密度與功率接近極限。晶片、交換機、連接器、線纜及光學模組技術都屬於網路的核心領域，而這將對每一分支領域都產生著深遠的影響，一直延伸到個人與企業，在這類環境下，延遲或停機都會很快的導致營收和商業機會上遭受多達數百萬美元的損失。
如果沒有所需的關鍵基礎設施來為未來的資料速率提供支援，那麼現存的瓶頸情況將愈發惡化。以後將需要在儲存、伺服器和交換機上作出進一步的投入，保存資料並使資料可即時存取。沒有對未來的高速及高密度資料準備就緒的資料中心，將日益面對延遲問題，最終遠遠落後於競爭對手。
為網路、伺服器和儲存裝置提供無縫可靠的連接，對於確保快速、有效而又安全的資料流程至關重要。資料中心必須能夠支援更快的處理速度、更多的頻寬以及更高的密度。為了做到這一點，需要極好的配合並整合起I/O連接功能，協調來自不同供應商的IT設備之間的互通性。工作量越大或者複雜性越高，便越需要使各個組成部分相互平衡、良好指定其用途，這樣才不會由於疏忽而造成瓶頸，進而影響到性能。
可插拔I/O產品的產品組合經過不斷演進，全部都圍繞著各種可插拔的I/O模組形式而發展，每種產品型號都具有不同的頻寬、距離以及銅纜或光纜連接功能。每條特定的鏈路都採用光纜或銅纜介面，以經濟節省的方式進行定義。可插拔I/O解決方案的設計在資料中心和電訊產業常用的各種距離上都支援最快的資料速率，而延遲和插入損耗更低，具有出色的訊號完整性、電磁干擾(EMI)保護功能及熱管理性能。
可擴展可交互操作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可靈活擴展的升級路徑。自從小尺寸插拔式(SFP)引入了1Gbit/s的資料速率以來，產業已經發展了很長的一段時期。QSFP光收發模組新增了配置選項，將密度和速度推向100Gbit/s。QSFP+熱插拔收發器應用廣泛，專為高密度資料通訊而設計，整合了四條發射通道及四條接收通道，提高了埠密度並進一步降低了成本，無需再購買更多數量的傳統式SFP+產品。zQSFP+系統滿足對高密度的要求，在四條通道上的資料速率高達28Gbit/s，在資料中心的高性能計算、交換機、路由器和儲存方面已成為一種普遍的選擇，具有極高的價值。
滿足數量增長迅猛的無線設備對頻寬的要求，一直是伺服器群設計中實現更高密度的推動因素。高度整合的QSFP系統結合了空間、功率和埠密度的有效利用，通常包含連接器、電磁干擾遮罩籠、銅纜和光纜組件、主動式光纖纜線(AOC)、光學迴路，以及主機連接器。zQSFP+互連解決方案支援下一代的100Gbit/s乙太網和100Gbit/s InfiniBand增強資料速率應用，以每條串列通道25Gbit/s的資料速率傳輸資料，具有出色的訊號完整性、電磁干擾防護性能以及熱冷卻功能。
速度提升四倍 下一代QSFP-DD方案上陣
網路依靠交換技術來處理及管理資料流量。隨著資料使用量的不斷上升，處於網路上核心地位的交換機可以保持資料的順暢流動。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。市場上的矽方案已經可以支援256條差分通道。現在所欠缺的，是一種可以提供充分的密度，在一個機架單元的安裝盒中即可支援這一數量的通道，同時對散熱及訊號完整性進行管理的連接器外形尺寸。
產業當前正處於下一代QSFP解決方案的開發過程中，與交換技術最近的發展情況保持一致。在2016年達成了QSFP-DD MSA，解決技術上的挑戰，實現雙密度的介面，並為不同製造商生產的模組元件確保機械、電氣、散熱和訊號完整性上的互通性。
作為一家QSFP-DD MSA的發起者和推廣者，Molex與其他52家公司開展了密切合作，滿足業界對高密度高速度網路解決方案的需求。該陣營最近為這一新的外形尺寸發布了規範，可以克服之前在指定QSFP28相容雙密度介面時遇到的技術挑戰。
四分之一小外形尺寸QSFP-DD規範定義了一種模組、一種堆疊式的整合箱體/連接器系統，以及一種表面貼裝的箱體/連接器系統。這一新的外形尺寸對標準的QSFP四通道介面進行了拓展，增加了一排觸點，從而提供八通道的電氣介面，其中每條通道都可在採用非歸零碼(NRZ)調變的情況下、在高達25Gbit/s的速率下運行，或者在採用脈衝調幅(PAM4)的情況下、在高達50Gbit/s的速率下運行。
此次功能適應使得QSFP-DD可以在每個QSFP-DD埠上滿足解決方案對200Gbit/s速率的要求，或者對400Gbit/s聚合速率的要求。一個單獨的交換機插槽即可支援多達36個QSFP-DD模組，因此總容量可達到14.4Tbit/s。
實現有效冷卻/熱管理 激發投資保護能力
從SFP+(1×10Gbit/s)到QSFP+(4×10Gbit/s)，再到zQSFP+(4×25Gbit/s)，一直到現在的QSFP-DD(8×25Gbit/s NRZ/50Gbit/s PAM4)，隨著收發器的速度不斷提升，用於傳輸訊號的能量也隨之增加、產生越來越多的熱量。冷卻和熱管理對於連接器模組以及網路的總功耗、能效、性能與壽命來說，都具有至關重要的作用。
散熱器技術的發展可以實現高效、可靠而又具有彈性的熱管理策略，同時支援更高密度的銅纜與光纜連接。QSFP光學模組設計可在最高攝氏70度的溫度下正常運行。超過此一溫度後，光學元件的性能將會降低，而壽命則會縮短。即使價格點已經下調，光纖元件仍然是一種成本相對高昂的投資物件，由於存在著極端溫度而承受一定的風險。
通道數量少於四條的I/O模組通常可以透過用於冷卻其他元件的氣流來進行冷卻。採用四條訊號通道的QSFP外形尺寸需要結合氣流與散熱器使用。zQSFP外形尺寸最初並不適合使用散熱器，僅依靠氣流來對模組進行冷卻。隨著資料密度的不斷提高，各種散熱器被添加到了模組的中心和頂部以及箱體結構上，從而改善氣流及冷卻效果。
由於zQSFP+的速度超過了100Gbit/s，而電力負載超過了4瓦，系統管理及光學模組溫度的管理上就面臨了更多的挑戰，以求不超過攝氏70度的最高溫度。總體設計必須透過整個箱體來操控氣流，採用散熱器則可以將模組上的能量轉移到存在氣流的區域。現在已有廠商，如Molex已經開發並演示了創新性的通流和內部自調整式散熱器(IRHS)技術，為在高達5瓦或更高的功率下運行的堆疊式zQSFP+模組提供熱管理。
Molex進行的測試主要關於最高環境溫度約為攝氏45度的企業應用，對通流式箱體進行了比較，該箱體針對模組內所產生能量的管理進行了優化。此次演示對5瓦的光學模組進行了模擬，採用的風洞包含了兩個2×1的箱體：一個是氣流增強型箱體，另一個是標準箱體，每一側都含有兩個zQSFP+模組，並且包含了電源，以預定的速度在測試區域中驅動風扇。
透過對這四個模組中每一個模組內部的溫度進行連續監控，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。在採用了增強型的箱體設計、散熱器及能量傳遞策略後，此次演示說明，與標準箱體相比，增強型箱體實現了顯著的改進，將冷卻係數降低了攝氏9度。
QSFP-DD模組在深度略微大於QSFP的空間內為八條通道提供支援。這意味著模組中有八束鐳射在發熱，需要冷卻與散熱。透過有效地加倍熱能，3.5瓦的模組可以成為7瓦的模組，而5瓦的模組則可成為10瓦的模組，諸如此類。
在這類極端的高熱下對熱性能進行管理，將成為繼續向前發展的關鍵。模組和箱體設計中採用的先進熱管理技術使QSFP-DD能夠支援至少7瓦的功率水準，而目標範圍則拓展至10瓦。Molex與其他的MSA合作夥伴以及贊助的成員企業正在開發QSFP-DD產品，其箱體和模組現可供貨，在客戶環境下進行熱測試。更多工作也已在進行中，為在高達12瓦或更高功率下運行的QSFP-DD模組的冷卻開發各種解決方案。
延長現有平台壽命
對更高密度以及更好的功率管理和熱管理的需求，將繼續推動改進型I/O模組的開發工作。新型網路技術的普及率在逐步提升。產業投資和多廠商的投資有助於確保每一代可插拔I/O之間的互通性。
向下的相容性可以延長現有平台的壽命，進一步提高了面向未來的準備程度。比如說，QSFP和zQSFP+共用了相同的配對介面。儘管是一種全新的介面，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模組相比，QSFP-DD模組所支援的高速電氣介面的數量增加了一倍。為了承受額外的一排觸點，主機板上QSFP-DD的機械介面深度略微大於標準型的QSFP28介面。
QSFP-DD的每埠都有76個電氣觸點，隨著資料中心容量的擴展，可以為更高密度應用中的下一代交換晶片提供支援。QSFP-DD已經為支援50Gbit/s的新型PAM4電調變格式準備就緒，可以進一步地使速度翻倍，從而使速度達到QSFP28模組的四倍。在初次使用QSFP-DD模組時，大部分情況都將支援NRZ調變格式的資料速率。PAM4允許在指定的頻寬上傳輸更多的資訊，但是需要更高的處理能力來為資料編碼和解碼，這就容易造成延遲及相應的性能下降問題。
採用QSFP-DD模組設計的系統將向下相容現有的QSFP外形尺寸，為最終使用者、網路平台的設計方以及整合商提供最大的靈活性。除了QSFP-DD規範可以在給定的面板空間內多容納四條通道並使QSFP28的聚合頻寬提升一倍外，埠的密度是完全一致的。QSFP28模組可以插入到QSFP-DD中八條電氣通道的四條之中，以便逐步逐量的對線纜和模組升級。
高密度的QSFP-DD光收發模組可以使製造商生產出更具競爭力的網路伺服器、交換機和儲存產品，為日益提高的資料流量以及更加複雜的資料中心與電訊網路提供支援，從而為設備製造商帶來巨大的價值。
(文本作者任職於Molex)