Пути повышения эффективности системы питания в центрах обработки данных


PDF версия

В связи с постоянным ростом потребности в передаче и обработке информации увеличивается нагрузка на систему питания электронных систем центров обработки данных (ЦОД). В статье обсуждаются такие методы повышения эффективности систем питания как применение усовершенствованных силовых каскадов, мониторинг потребляемой мощности и тепловых режимов, а также использование многофазной архитектуры построения источников питания. Статья представляет собой краткий перевод [1].

В последние годы наблюдается значительное развитие всех сфер сетевых коммуникаций: электронной коммерции, интернета, средств развлечения, электронной почты, социальных сетей, сетевых игр, VoIP-телефонии, видео по запросу и т.д. Это развитие сопровождается постоянно растущим спросом на электронные системы в ЦОД, которые предназначены для хранения, обработки и передачи информации 24 часа в сутки, 365 дней в году. При этом ключевой задачей является увеличение вычислительной мощности на квадратный метр площади ЦОД, что в конечном итоге зависит от эффективности системы питания.

Типовой ЦОД содержит серверы, сети хранения данных, маршрутизаторы и коммутаторы. Раньше для оценки эффективности подобных центров часто использовался такой показатель как удельная производительность, измеряемая в MIPS/м2. Однако в настоящее время ситуация меняется в силу ряда причин.

Во-первых, по оценкам специалистов, стоимость эксплуатации оборудования ЦОД в течение срока службы в три раза превышает первоначальные капиталовложения. Во-вторых, возрастает влияние экологических требований, которые поддерживаются на законодательном уровне, что приводит к необходимости обеспечивать максимальную эффективность ЦОД. И, в-третьих, без повышения эффективности едва ли возможно существенно увеличить вычислительную мощность и осуществить требуемую поддержку инфраструктуры ЦОД. Последние исследования компании ARI показали, что 38% ЦОД уже работают на предельных уровнях потребления энергии и испытывают риск остановки из-за возможных сбоев подачи питания.

Таким образом, ключевым показателем качества ЦОД становится эффективная производительность, измеряемая в MIPS/Вт. И значительную роль в улучшении этого показателя играет внедрение последних технологий мощных полупроводниковых приборов, которые позволяют увеличить эффективность как оборудования, так и поддерживающей инфраструктуры ЦОД.

Потребление энергии в ЦОД

Можно определить два основных источника потребления энергии в ЦОД. Первый — это само электронное оборудование для обработки, хранения, коммутации и маршрутизации данных. Второй — это инфраструктура, которая требуется для охлаждения и защиты серверов, сетей хранения данных, маршрутизаторов и коммутаторов. Доля энергии, потребляемой каждым из этих источников, примерно одинакова, и все компоненты системы взаимодействуют между собой.

Энергия, потребляемая оборудованием, подразделяется на три основные составляющие. Электронной нагрузкой (имеются в виду микропроцессоры и банки памяти) потребляется 60—70% энергии, в то время как источники питания потребляют 25—30%, а вентиляторы — 5%.

Наряду с внедрением методов пониженного энергопотребления (например, с применением эффективных многоядерных процессоров и технологий виртуализации), есть и другие возможности для существенного уменьшения энергии, потребляемой этими тремя основными элементами. Например, новые системы интеллектуального управления питанием встроены в единую платформу и содержат все критичные компоненты, необходимые для построения источников питания. Ключевыми элементами таких систем являются высокоэффективные силовые каскады, усовершенствованные контроллеры питания с быстрой реакцией, цифровые интерфейсы для программирования и диагностики, высокоточные мониторы напряжения питания, системные контроллеры и устройства управления последовательностью включения питания. Эти компоненты построены на базе улучшенной технологии мощных полупроводниковых приборов.

Усовершенствованные силовые каскады

Усовершенствованные силовые каскады способны снизить потери мощности источников питания на одну треть по сравнению с традиционными схемами. На рисунке 1 показана структура MOSFET, изготовленного по передовой технологии, которая имеет существенные преимущества в сравнении с традиционными полупроводниковыми приборами. Данная технология обеспечивает существенно более высокую плотность рассеиваемой мощности и в сочетании с усовершенствованным методом корпусирования позволяет достичь близкие к нулю значения сопротивления и индуктивности корпуса, а также наименьшее в отрасли значение теплового сопротивления.

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Структура новой технологии MOSFET, которая обеспечивает высокую плотность рассеиваемой мощности в сочетании с усовершенствованным методом корпусирования

По сравнению с обычным пластмассовым корпусом для дискретных компонентов, конструкция металлического корпуса этих MOSFET обеспечивает двустороннее охлаждение, что позволяет удвоить емкость энергонакопительного конденсатора высокочастотных понижающих

DC/DC-преобразователей. Такая технология значительно сокращает потери энергии и позволяет уменьшить габариты печатной платы. Используя микросхемы драйверов и схем управления, предназначенных для работы с этими высокоэффективными MOSFET, разработчики получают оптимальное сочетание электрических параметров и эффективности. Например, использование данной технологии в серверах позволяет увеличить эффективность системы на 5—6%.

Новые технологии силовых полупроводниковых приборов, например на основе нитрида галлия (GaN), смогут вскоре заменить кремниевые MOSFET в усовершенствованных системах питания. Потенциально GaN-приборы обеспечивают на порядок лучшие характеристики по сравнению с кремниевыми приборами. Это позволит еще более снизить потери мощности и рассеиваемое тепло.

Усовершенствованные системы питания

Модернизация системы питания способна существенно уменьшить мощность, рассеиваемую нагрузкой. Такие мощные нагрузки как микропроцессоры и банки памяти имеют весьма непредсказуемый график энергопотребления из-за быстрого изменения их производительности и выполняемых функций. В жестком режиме работы такие нагрузки могут быстро достичь предельных тепловых режимов и требуют перерыва в работе для охлаждения корпуса и кристалла. После охлаждения нагрузка может быть увеличена вновь. В результате это приводит к возникновению в высшей степени неэффективных циклических тепловых и электрических режимов.

Работа высококачественных кремниевых приборов в таких циклах приводит к излишнему расходу энергии и снижению характеристик. Однако путем динамического мониторинга системы питания и фиксирования мгновенных значений потребляемой мощности, а также путем определения теплового сопротивления нагрузки можно точно  спрогнозировать уровень теплового излучения в системе в любой момент времени. На основе полученной информации система может изменить электрические характеристики нагрузки (например, возможно динамическое управление напряжением питания ядра процессора или снижение тактовой частоты) с тем, чтобы ограничить потребляемую мощность и заранее установить оптимальные условия охлаждения. Такой подход может снизить общую потребляемую мощность на 15-20%.

Применение технологии оптимизации энергопотребления

Применение передовых полупроводниковых приборов для управления питанием с целью улучшения энергоэффективности системы можно проиллюстрировать на примере серверных технологий, используемых в современных ЦОД. Благодаря модульной конструкции, низкой стоимости и небольшим размерам в ЦОД обычно применяются blade-серверы, монтируемые в стойке.
Путем добавления стоек, содержащих высокоплотные blade-серверы, емкость ЦОД можно увеличивать в соответствии с растущими требованиями по вычислительной мощности. Однако для последних поколений blade-серверов, в состав которых входит до четырех процессоров на плату (плюс другие высокопроизводительные компоненты, включая память), существенную роль играют требования по потребляемой мощности и рассеиваемому теплу. Поэтому на практике в стойках ЦОД часто оставляют пустые позиции для более эффективного охлаждения системы.

Последние достижения в области технологий мощных полупроводниковых приборов позволяют инженерам решать эти проблемы. Два метода, обсуждаемые в данной статье, могут помочь снизить общую мощность, потребляемую blade-сервером. Эти подходы снижают требования к системе охлаждения и таким образом обеспечивают большую плотность серверов в стойке.

Первый метод позволяет инженерам разрабатывать высокоэффективные источники питания, расположенные на плате. Приблизительно 80% мощности, рассеиваемой blade-сервером, потребляется внутриплатными источниками питания, так что эффективность этих источников питания серьезно влияет на КПД системы. Большая часть этой мощности рассеивается микропроцессором и памятью. Например, типичный высокопроизводительный микропроцессор потребляет около 130 А при напряжении питания 1,1 В, или 146 Вт. В настоящее время типовое значение КПД внутриплатных источников питания составляет около 80%, а потери, соответственно, — 20%.

С помощью усовершенствованной технологии управления и преобразования энергии, например, используя масштабируемую многофазную архитектуру построения источников питания XPhase и MOSFET семейства DirectFET компании International Rectifier, можно увеличить эффективность системы до 90%. Это снижает потери мощности источников питания на 50% (с 20 до 10%). В компании International Rectifier  разработано также высокоточное семейство микросхем контроля мощности в режиме реального времени. Это позволяет инженерам проектировать системы питания с уменьшенными динамическими потерями в blade-серверах.

Заключение

Стоимость применения усовершенствованных технологий управления мощностью, подобных описанным в статье, значительно ниже полученной экономии. Эти методы обеспечивают и другие преимущества, например, меньшую скорость вращения вентилятора на плате при более низком уровне тепловыделения в системе. По оценкам специалистов, внедрение оптимизированных систем управления питанием, которые включают усовершенствованные силовые каскады, точные динамические средства мониторинга и высококачественные контроллеры системы питания, обеспечит снижение мощности, потребляемой оборудованием ЦОД следующего поколения, на 25%.

Литература
1. Power semiconductors key processing density improvements, Tim Phillips//
www.powermanagementdesignline.com

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *