技術文章分析 | 51.2T NPO 交換器散熱：835W ASIC 加 16 顆光引擎，氣冷還是液冷？

Celestica 在 ITherm 2023 發表了一篇很「工程師」的論文：把下一代 51.2T 近封裝光學（Near-Packaged Optics，NPO）交換器的散熱問題，用整合式氣冷、分離式氣冷、冷板液冷三條路各跑一遍 Flotherm 模擬，直接給結論。核心矛盾只有一句話：中間那顆 835W 的 ASIC 要壓在 Tj 105°C 以下不難，難的是旁邊 16 顆只有 56W、但殼溫規格卡死在 70°C 的光引擎（Optical Engine，OE）。結論很乾脆：氣冷勉強能過但沒餘裕，液冷在 2 LPM 流量下 ASIC 與 OE 都有安全邊際，才是 51.2T 世代的正解。

1. 論文背景：一家 ODM 大廠，為什麼認真算散熱

先講清楚這篇是誰寫的。作者 Yaoyin Fan 等四人來自 Celestica（加拿大電子製造服務／ODM 大廠），發表在 2023 年第 22 屆 IEEE ITherm。這個會議是電子散熱領域的頂級場子，論文能上代表它的模擬邊界條件與方法是被同儕認可的。

為什麼一家做代工的公司要認真算散熱？因為 NPO／CPO（共封裝光學）這種新架構，散熱設計本身就是決定「這台交換器能不能量產」的關鍵瓶頸，而瓶頸這關通常就是壓在 Celestica 這種負責整機組裝與熱設計的 ODM 身上。這篇論文本質上是 Celestica 對客戶秀肌肉：51.2T NPO 的熱，我們算過了。

2. 為什麼 51.2T 是一場散熱噩夢

問題的根不在光模組，也不在 PCB，而在交換晶片（ASIC）的功耗曲線已經失控。論文開頭用一張 Broadcom 的 ASIC 藍圖把驅動力講白了：從 2013 年 TH1（3.2T）的 196W，一路爬到 TH4（25.6T）的 580W，再到 TH5（51.2T）預估破 800W。25.6T 這一代比前一代直接跳了約 60%，而 51.2T 這一代論文取用的模擬值是 835W。

圖片說明：Figure 1：Broadcom 交換 ASIC 功耗藍圖，TH1（196W）一路飆到 TH5（800+W）圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 1

NPO 的解法是把多顆光引擎搬到 ASIC 旁邊，縮短電路徑、省掉大量 SerDes 功耗，總功耗因此比傳統架構低很多。

Figure 2：NPO 架構示意，中央為交換 ASIC，四周環繞光引擎。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 2

但省下的是系統總功耗，換來的是熱點密度的大麻煩。模擬元件規格（Table 1）：ASIC 封裝 87×75×4.62mm、裸晶 31.37×24.74×0.84mm、功耗 835W、Tj 規格 105°C；OE 晶片 52×22.5×7.6mm、單顆 56W、殼溫（Tc）規格只有 70°C。兩個關鍵落差：ASIC 功耗是 OE 的近 15 倍，但 OE 的溫度規格反而嚴苛 35°C。這就是整篇論文所有設計取捨的源頭。

3. 業界已經走過的兩條 NPO 散熱路

第一條是 Meta。2022 年 5 月 OCP tech talk，Meta 提出用一顆 51T ASIC 搭配四周 NPO 埠、塞進 4RU 機箱的方案，散熱採一體式散熱器同時罩住 ASIC 與 16 顆光模組。

Figure 3：Meta NPO 方案爆炸圖，採一體式散熱器同時冷卻 ASIC 與 16 顆光模組。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 3

第二條是 Ragile（銳捷）。2022 年 9 月 OCP 全球峰會，Ragile 展示了 51.2T 與 25.6T 兩款 NPO 交換器實機，兩者都用冷板液冷。

Figure 4：Ragile 於 2022 OCP 全球峰會展示的 51.2T NPO 交換器實機。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 4

Meta 走氣冷一體式、Ragile 走液冷，這篇論文的貢獻就是把三條路放在同一組邊界條件下公平對決。

4. 三種散熱武器的底層原理

熱管（Heat Pipe，HP）與均熱板（Vapor Chamber，VC）是 ASIC 散熱的老將，靠內部工質相變傳熱。VC 底座貼著發熱晶片把熱攤平擴散到鰭片；焊在散熱基座上的熱管再把 VC 的熱往鰭片頂端送，提升鰭片效率、降低擴散熱阻。

Figure 5：熱管與均熱板散熱器的工作原理，工質相變循環傳熱。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 5

3D 均熱板（3D VC）是進階版，等於一根圓形熱管加一片扁平均熱板的結合體，兩者間沒有接觸熱阻，同時實現平面與軸向傳熱，做到三維傳熱。

Figure 6：3D 均熱板工作原理，結合平面與軸向傳熱達成三維傳熱。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 6

第三種是冷板液冷。論文選了最成熟、成本可控的單相冷板液冷：冷卻液（水）從進水口打進冷板，流經流道被晶片熱流加熱，再從出水口帶走熱。冷板設計好壞直接決定散熱表現。

Figure 7：冷板剖面示意，冷卻液沿內部流道帶走晶片熱流。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 7

5. 氣冷方案一：整合式散熱器（ASIC 與 OE 共用一顆）

邊界條件：4U 機箱，氣冷模擬域 500×326×118.5mm，散熱器最大可用空間 320×230×103mm；進風 35°C、海平面。

Figure 8：氣冷模擬域，進風 35°C、機箱高度 118.8mm。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 8

整合式第一版 VC+HP：整體 320×200×92mm、鰭距 1.6mm、鰭厚 0.3mm、鋁鰭片，VC 底座加 10 根熱管（Table 2）。

Figure 9：VC+HP 整合式散熱器，10 根熱管提升鰭片效率。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 9

第二版 3D VC 整合式散熱器，尺寸與鰭片參數相同（Table 3），差別在用 3D VC 取代 VC+HP。

Figure 10：3D VC 整合式散熱器示意。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 10

整合式的死穴：OE 跟 ASIC 共用散熱器時，OE 溫度必然被 ASIC 拖累——OE 殼溫規格 70°C 遠低於 ASIC 的 105°C，而 ASIC 功耗又高得多。這直接引出下一個方案。

6. 氣冷方案二：分離式散熱器（把 OE 從 ASIC 旁邊救出來）

分離式的邏輯：讓 ASIC 與 OE 各用各的散熱器，物理隔離熱流。論文設計五顆分離散熱器——一顆前置 OE、兩顆側邊 OE、一顆後置 OE、一顆 ASIC 散熱器。

Figure 11：分離式散熱器佈局，ASIC 與四方位 OE 各自獨立散熱。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 111

兩個巧思（Table 4、Table 5）：ASIC 散熱器 120×218×81mm、VC+10 HPs；為讓氣流多灌進中央 ASIC，前置 OE 散熱器中央刻意不做鰭片讓風道通過；側邊 OE 用 6 根熱管把熱導到平行鰭片，替 ASIC 讓出空間。救了 OE，但 ASIC 能用的鰭片面積被壓縮了。

7. 液冷方案：一進兩出的雙迴路冷板

配置（Table 6）：1 顆 ASIC（836W）+ 16 顆 OE（56W/顆），總液冷熱負載 1732W；開迴路、單相；設計流量 1.6／2／3 LPM；工質為水；FWS 最高供水溫 32°C、TCS 供液溫 40°C。

關鍵難點：ASIC 功耗 835W、裸晶只有 31.37×24.74mm，熱流密度衝到 108 W/cm²，擴散熱阻很高。解法是在冷板下設計 VC 底座（pedestal）降低擴散熱阻，冷板底部再做一片大 VC 基板把熱均勻攤給冷卻液。

Figure 12：冷板液冷組裝示意，ASIC 下方設 VC 底座降低擴散熱阻。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 12

依 NPO 晶片分佈，設計了兩進兩出的冷板（Table 7：ASIC 流道 80×62×5.5mm、鰭距 1.1mm；單顆 OE 流道 32×20×5.5mm、鰭距 1.3mm；鰭厚 0.2mm、銅鰭片）。

Figure 13：冷板內部流道與冷卻液流向設計。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 13

8. 被低估的關鍵：TIM 選擇與壓合力

當 ASIC 熱流密度到 108 W/cm²，熱介面材料（Thermal Interface Material，TIM）選錯，接觸熱阻就會大到讓晶片必然過溫。ASIC 端選了相變化材料（PCM）Laird TPCM 7900。真正需要精算的是 OE 端，因為 TIM 厚度受組裝公差影響很大。論文用一維裝配公差堆疊分析（TA）來算。

Figure 14：TA 公差分析涉及的結構堆疊。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 14

Figure 15：TA 公差分析的關鍵尺寸 A~F 定義。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 15

TA 結果（Table 8~10）算出 OE TIM 壓合後厚度落在 0.43~1.12mm，因此需要至少 1.5mm 厚的導熱墊。四款導熱墊對決（Table 11、12）：Fujipoly GR130A（13 W/mK）壓合力 >300.7 LBF，裝不上去；PG130A（13）169.5 LBF；Laird SF10（10）28.6 LBF；Lipoly Twork9000（20）21.8 LBF。結論：Twork9000 導熱率更高（20 vs 10）、壓合力反而更小（21.8 vs 28.6 LBF），是最佳解。導熱率不是唯一指標，壓合力才是能不能量產的關卡。

9. 三方案模擬對決：數字說話

工具是商用 CFD 軟體 Flotherm。整合式兩版本（Fig 16、17）：VC+HP 版 ASIC Tj 93.0°C、最熱 OE 70.2°C；3D VC 版 ASIC Tj 91.3°C、最熱 OE 71.5°C。3D VC 讓 ASIC 更低但 OE 反而更熱（OE 區熱管數量受限），熱管佈局優化是關鍵。

Figure 16：整合式散熱器 ASIC 與 OE 溫度分佈（(a) HP-VC；(b) 3D VC）。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 16

Figure 17：整合式散熱器沿氣流方向的鰭片溫度剖面。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 17

分離式（Fig 18）：ASIC Tj 95.1°C（差 2.1°C），但最熱 OE 壓到 68°C（低 2.2°C），全數過關且有餘裕。前置 OE 最涼（吃到未預熱進風），側邊與後置 OE 分佈均勻。

Figure 18：分離式散熱器 ASIC 與 OE 溫度分佈，OE 全數壓在 70°C 規格內。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 18

液冷（Fig 19~21）是三方案裡最好的。1.6 LPM 時 OE 73.6°C 超規 3.6°C；2 LPM 時 ASIC Tj 84.9°C、OE 66.5°C，雙雙有餘裕，建議設計流量至少 2 LPM。

Figure 19：冷板液冷在 1.6／2／3 LPM 下的 ASIC 與 OE 溫度。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 19

2 LPM 下（Fig 20、21）VC 基板溫度均勻。OE 沿流動方向逐漸升溫——8# OE 比 1# OE 高約 8°C，冷卻液一路被加熱，下游晶片自然更熱。這是串接式液冷共通的宿命。

Figure 20：2 LPM 流量下冷板液冷的 ASIC 與 OE 溫度分佈。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 20

Figure 21：OE 沿冷卻液流向逐漸升溫，8# 比 1# 高約 8°C。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 21

10. 別忘了結構：壓合力與變形風險

整合式把 ASIC 與 OE 壓在同一顆散熱器下，公差堆疊容易造成應力集中。用 Twork9000 當 OE TIM 時單顆最大壓合力 21.8 LBF；ASIC 依規格最大需求 82.3 LBF，取安全係數 0.8 後設計壓合力 65.8 LBF。補強：PCB 背面加支撐托架，VC 基座背面與鰭片中段加不鏽鋼支撐板。

Figure 22：VC 基座與鰭片的不鏽鋼支撐補強件。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 22

變形模擬（Fig 23）：ASIC 周圍最大變形 0.574mm，加托架後鰭片保護良好。安全係數模擬（Fig 24）：加托架後結構達 >1 安全係數。

Figure 23：變形模擬，ASIC 周圍最大變形 0.574mm。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 23

Figure 24：安全係數模擬，加補強件後結構達 >1 安全係數。圖片來源：Y. Fan et al., ITherm 2023 - Figure 24

11. STT 觀點：這篇論文真正的產業訊號

第一，它幫整個產業把「NPO 散熱能不能過」這題證明題做完了。氣冷分離式勉強能過（OE 68°C）、液冷 2 LPM 舒服過（OE 66.5°C），門檻被驗證性地降低——對還在觀望 NPO/CPO 導入時機的系統廠是一劑強心針。

第二，OE 才是散熱瓶頸，不是 ASIC。真正卡關的是那 35°C 的規格落差——OE 殼溫 70°C 的天花板才是所有設計取捨的圓心。這對光引擎供應商（做 ELSFP／光引擎模組的玩家）是明確訊號：你的模組熱設計與封裝 Tc 表現，會直接決定客戶能不能用氣冷、要不要被迫上液冷。OE 的散熱友善度正在變成一項競爭力。

第三，液冷是趨勢，但氣冷還沒出局。論文明講 VC+HP 比 3D VC 更適合，因為 OE 冷卻是瓶頸、而 3D VC 成熟度還不如 VC+HP。在 51.2T 世代，成熟度與供應鏈可得性有時比帳面熱表現更重要。真正全面轉液冷可能要等 102.4T 那一代。

一句話收尾：51.2T NPO 的散熱戰場，勝負手不在那顆最兇的 ASIC，而在那 16 顆最嬌貴的光引擎。

總結

Celestica 這篇 ITherm 2023 論文用三種散熱路線的公平對決，替 51.2T NPO 交換器的熱設計立了一個可信的參考基準。三個判斷：其一，冷板液冷在 2 LPM 下 ASIC 與 OE 都有餘裕，是 51.2T 世代最穩的解；其二，若堅持氣冷，分離式優於整合式、VC+HP 優於 3D VC，關鍵在把 OE 從 ASIC 熱流中隔離；其三，TIM 選擇不能只看導熱率，壓合力才是量產關卡。對光引擎供應鏈而言，模組的 Tc 熱表現正在從規格書上的一行字，變成決定客戶散熱架構的競爭力。

參考資料

• Y. Fan, M. Luo, C. Liu, S. Zhang, "Thermal solution study of 51.2T Near-packaged optics switch," 2023 22nd IEEE ITherm, 2023. DOI: 10.1109/ITHERM55368.2023.10177553