Пути повышения эффективности системы питания в центрах обработки данных

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.

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 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.

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

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.

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 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.

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%.