从空冷到浸没式液冷：AI数据中心热管理与光模块技术的协同革新

随着AI与HPC（高性能计算）集群规模持续扩张，数据中心正面临前所未有的热管理与功耗挑战。GPU热设计功耗（TDP）呈指数级增长，即将突破2500W+，传统冷却技术与光通信方案已难以平衡性能、效率与成本。Formerica Optoelectronics在SC 25会议上，以“从传统到下一代光学：空冷、液冷、浸没——重新思考、评估、定义”为主题，系统阐述了数据中心冷却技术的演进路径，以及线性驱动可插拔光学（LPO）与浸没式液冷光学解决方案的技术突破，为AI时代数据中心的高效运行提供了关键支撑。

一、AI数据中心的核心困境：热管理与功耗的双重压力 AI与HPC工作负载彻底改写了数据中心的设计规则，核心矛盾集中在热管理与功耗控制上。一方面，AI集群的功率密度持续飙升，从DGX A100到Rubin Ultra（NVL576），单机架功耗不断突破上限，传统依赖CRAC/CRAH机组与散热管道的空冷技术逐渐触及性能天花板；另一方面，数据中心需在提升计算能力的同时，降低总拥有成本（TCO）、减少空间占用，并满足可持续发展目标，这对冷却效率与设备兼容性提出了更高要求。

空气的隔热性能优于导热性能，传统空冷不仅散热效率有限，还需配备大量风扇与管道，既占用宝贵的机房空间，又产生持续噪音。随着GPU TDP向2500W+迈进，单纯依赖空冷或局部冷却技术已无法解决全域散热问题，下一代冷却技术与低功耗光通信方案的协同创新成为必然选择。 二、冷却技术的迭代之路：从空冷到浸没式液冷的进化 为应对热管理挑战，数据中心冷却技术经历了从传统空冷到精准液冷的逐步升级，不同技术路径各有优劣，也推动着行业向更高效、更可靠的方向演进。 传统空冷技术凭借成熟度与低成本长期占据市场，但在高功耗场景下的局限日益凸显，散热效率不足、空间占用大、噪音污染等问题成为其适配AI集群的主要障碍。冷板/直接液冷（DLC）技术针对性解决了GPU与CPU的核心散热需求，通过液体直接接触发热部件实现高效降温，但该技术仅覆盖核心组件，服务器其余子系统仍需依赖空冷辅助，且存在管道泄漏与泄漏检测的潜在风险。 作为下一代主流冷却技术，浸没式液冷通过将整个服务器浸入专用冷却流体中，实现了全部件的全域散热，展现出显著优势：支持超高密度部署，1RU服务器可容纳4或8块GPU，大幅降低空间需求；流体散热避免了机械振动，减少设备氧化，显著提升硬件可靠性与使用寿命；无需额外风扇与复杂管道，实现无噪音运行，同时降低整体功耗与TCO，助力数据中心达成可持续发展目标。

但浸没式液冷也面临独特挑战：冷却流体与服务器各类材料的兼容性需严格验证，信号在液体环境中的完整性易受介电常数变化影响，此外标准化与互操作性问题也亟待行业协同解决。这些挑战成为制约浸没式液冷规模化应用的关键瓶颈，也推动着光学通信与材料技术的针对性创新。 三、核心技术突破：LPO与浸没式光学解决方案的协同赋能 针对AI数据中心的功耗与冷却痛点，Formerica推出了以线性驱动可插拔光学（LPO）技术与浸没式液冷光学解决方案为核心的组合拳，从功耗控制与散热适配两个维度实现技术突破。 （一）LPO技术：低功耗光通信的核心支撑 传统高速光模块依赖DSP（数字信号处理）芯片进行信号重定时，虽能保障信号完整性，但存在功耗高、 时延大的问题，间接增加了冷却系统负担。LPO技术通过移除DSP芯片，重构信号传输架构，实现了双重核心优势：功耗降低约50%， 时延显著减少，直接缓解了数据中心的功耗与散热压力；同时通过模块阻抗的设计与制造控制，以及与主机设备、ASIC主板的阻抗/延迟匹配优化，确保了高速传输性能。

目前，LPO技术已完成多平台验证，在400G QSFP112 DR4与Broadcom Thor2、800G OSFP112 2xDR4与Broadcom Tomahawk5等组合测试中，前向纠错前误码率（Pre-FEC BER）达到E-10，优于E-4的行业标准，二阶纠错能力也超出规范要求，完全满足AI集群高速低延迟的通信需求。 （二）浸没式液冷光学解决方案：突破场景适配瓶颈 针对浸没式液冷的核心挑战，Formerica通过系统性测试与设计优化，构建了成熟的浸没式光学解决方案，关键突破集中在材料兼容性与信号完整性两大维度。

在材料兼容性方面，团队基于OCP材料兼容性指南，开展了大规模测试验证，覆盖Shell、Fuchs、Engineered Fluids等18个品牌的35+种冷却流体，包括PAO、GTL、酯类、碳氟化合物、生物基油等多种类型，最终实现90.9%的兼容率。测试不仅涵盖常温环境，还延伸至高温、加压等严苛条件，初始测试以80℃、336小时、0.8L为标准，确保电缆护套、热界面材料、塑料件等关键组件在长期使用中不出现硬化、溶解、膨胀或收缩等问题，彻底解决传统材料在浸没环境中的适配难题。

信号完整性方面，液体介质的介电常数（如部分流体Dk=2.06）与空气（Dk=1）存在显著差异，易导致阻抗失配与信号传输质量下降。为应对这一问题，解决方案通过三大设计优化实现突破：对光学组件进行封装保护，避免流体直接接触；优化PCB设计，最大限度减少线路暴露；针对不同流体的介电特性与损耗角正切值，进行传输线路的针对性调校。测试数据显示，OSFP-RHS 400G SR4浸没式有源光缆（iAOC）在流体环境中的共面阻抗为89.94Ω，虽较空气环境的97.67Ω降低约8Ω，但仍处于稳定传输的合理范围，未对信号质量造成实质性影响。

（三）测试验证：性能与可靠性双达标 一系列严苛测试验证了浸没式光学解决方案的实用性与稳定性。在性能测试中，400G与800G iAOC的关键参数均满足IEEE 802.3db标准：TDECQ（发射色散眼闭度）低于4.4dB的最大值要求，发射功率处于-4.6dBm至4dBm的规范区间，消光比（ER）高于2.5dB的最小值标准，Pre-FEC BER低于2.4E-04的上限，其中800G iAOC的BER更是达到E-9至E-10，较标准要求提升5个数量级。

可靠性测试同样表现优异：100G QSFP28 SR4 iAOC在70℃、90%置信水平下的平均无故障时间（MTBF）达到50年；11个100G浸没式有源光尾纤样品，在3.3V电压、1.5米液深条件下，分别经过25℃与70℃、2000小时的高温工作寿命（HTOL）测试，发射功率、消光比、接收灵敏度的变化量均控制在±2dB以内（消光比更是控制在±1dB内），全部通过验证。此外，5种不同品牌冷却流体的对比测试显示，相同温度下BER仅在1-3个数量级内波动，一致性良好，证明解决方案对不同流体环境的适配能力。

四、产品布局与未来路线：全面覆盖AI/HPC场景需求 当前，Formerica已构建覆盖10G至800G浸没式光学产品组合，包含QSFP、OSFP等多种封装形式，可适配IT、AI与HPC各类浸没式冷却集群。根据产品路线图，2024年下半年至2026年上半年，将持续丰富产品线：2024年下半年推出200G/100G QSFP56 SR4/SR2与100G DR1/LR4；2025年上半年上线400G QSFP112 DR4与400G/200G QSFP112 SR4/SR2；2025年下半年推出800G OSFP SR8多模产品；2026年上半年实现400G OSFP-RHS DR4单模与800G OSFP224 DR4的量产，形成全速率、全场景的产品矩阵。

五、结语：技术协同开启数据中心高效时代 AI数据中心的规模化发展，推动着冷却技术与光通信技术的深度协同。从传统空冷到冷板液冷，再到浸没式液冷，冷却技术的演进核心是追求更高的散热效率与更低的TCO；而LPO技术与浸没式光学解决方案的创新，则为高功耗、高密度场景提供了关键的通信支撑。

Formerica通过无DSP的LPO技术实现功耗减半，以90.9%的材料兼容率与达标信号完整性突破浸没式液冷的应用瓶颈，再通过严苛测试验证产品可靠性，形成了“低功耗通信+高效散热适配”的完整解决方案。这些技术突破不仅满足了当前GPU TDP攀升带来的热管理需求，更通过降低数据中心的功耗、空间占用与碳足迹，助力行业达成可持续发展目标。 随着浸没式液冷与LPO技术的规模化部署，数据中心正从“被动散热”向“主动优化”转型，未来将实现性能、效率与环保的三重平衡，为AI与HPC技术的持续创新提供坚实基础。

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