Центры обработки данных приводят к изменению значений от 12 В до 48 В для снижения потерь энергии на 30%
ROBERT GENDRON
Вице-президент, Викор
www.vicorpower.com
Недавние объявления Google на саммите OpenPOWER и саммите US Open Compute Project (OCP) способствуют развитию инфраструктуры серверов и дистрибуции 48-V в качестве нового стандарта для работы центра обработки данных. Ожидается, что эволюция от старых серверных стеллажей на 12 В до стоек на 48 В уменьшит потери энергии более чем на 30%, подчеркнув явную тенденцию к стойкам центра обработки данных высокой плотности, которые улучшают энергосбережение. Это развитие вынудило переосмыслить использование энергии энергопотребления и передачу электроэнергии от входа в систему процессора.
Тенденции нагрузки данных
Ожидается, что глобальный IP-трафик, который, как ожидается, достигнет 72 эксабайт / месяц, когда будут подсчитаны цифры 2015 года, находится на пути к пятилетнему среднему ежегодному темпу роста (CAGR) на 23% с 2014 по 2019 год (см. Рис.1 и ссылку 1), Для сравнения, это более чем в четыре раза превышает прогнозируемый CAGR для глобального экономического производства за тот же период (см. Ссылку 2).
Рисунок 1: Глобальный IP-трафик на 2014 год и оценки на 2015-2019 годы. Источник данных: Cisco Systems. Графическая любезность JAS Technical Media; используется с разрешения.
Хотя на мобильный трафик приходится наименьшая доля глобальной совокупности, его темпы роста в 2 ½ раза превышают как общую, так и фиксированную IP-долю и в 4 раза больше доли управляемого IP. Если текущие прогнозы сохраняются, мобильный трафик должен превышать фиксированный IP-адрес к 2020 году, в основном обусловленный потребностью в видеоконтенте и расширяющейся доступностью высокоскоростных мобильных сетей 4G / LTE. Также следует отметить, что данные для мобильных устройств, выгружаемых в сети Wi-Fi, не отображаются в статистике мобильного трафика, а скорее как (растущая) часть фиксированной части IP (см. Ссылку 3).
Распространение Internet of Things (IoT) еще не появилось в прогнозах трафика. Однако Gartner прогнозирует, что установленная база IoT превысит 20 миллиардов узлов к 2020 году (см. Ссылку 4). Даже если приложения IoT в основном зависят от относительно коротких передач данных, огромное количество транзакций данных может отображаться в статистике нагрузки на сервер, непропорциональной их трафику.
Тенденции центров обработки данных
Чтобы удовлетворить этот растущий спрос на трафик, операторы ЦОД не просто реплицируют существующие серверные массивы. Вместо этого они находят экономическую выгоду в использовании технологий, которые увеличивают функциональную плотность ИТ и, в качестве прямого результата, технологии, которые обеспечивают большую мощность и плотность охлаждения.
Например, новый набор микросхем Intel обеспечивает достаточную плотность для обеспечения вычислительной мощности от 50 кВт до 60 кВт в стандартной стойке 40-U-50-U (см. Ссылку 5). Этот высокий уровень плотности вычислений бросает вызов традиционным схемам источников питания, распределения, преобразования и резервного копирования.
На уровне площадки многие новые крупномасштабные центры обработки данных либо дополняют коммунальные мощности на объектах солнечной или ветровой энергетики на месте, либо частично работают с крупными энергетическими контрактами от ближайших поставщиков возобновляемой энергии. Фактически, критерии отбора площадки для крупных центров обработки данных теперь включают оценку соседних возобновляемых источников энергии. В дополнение к солнечной и ветровой, они могут включать в себя геотермическую или гидроэнергетику - предпочтительный источник энергии для энергоемких отраслей промышленности в прошлом, таких как химическая переработка и переработка алюминия.
Внутри устройства распределение мощности может быть трехфазным или, что более важно, 380 В пост. Тока (HVDC), что устраняет проблемы с балансом фаз и упрощает подключение к источникам возобновляемой энергии и источникам резервного питания. Распределение мощности HVDC также устраняет этапы коррекции коэффициента мощности (PFC) при подаче каждого сервера и повышает эффективность распределения. Например, Nippon Telegraph and Telephone (NTT) сообщила о 4-мегавольтной выпрямительной системе HVDC, состоящей из восьми модулей мощностью 500 кВт, что повышает эффективность распределения мощности HV на 20% (см. Ссылку 6).
Переходы от объектов на уровне площадки до стойки
Высокопроизводительные серверные стойки подчеркивают пределы некоторых традиционных услуг на всей территории. Например, при этих плотностях традиционное принудительное воздушное охлаждение с плавающим полом менее практично, чем известные, но до сих пор менее развернутые альтернативы, такие как теплообменники с задним приводом с водяным охлаждением (RDHX) (см. Ссылку 7), RDHX набирают популярность благодаря своей высокой производительности, эффективности, улучшенной масштабируемости и их способности контролировать и модулировать производительность охлаждения для отдельных стойк в ответ на нагрузку на обслуживаемые серверы.
Распределение мощности HVDC на участке в сочетании с увеличением рассеивания на стойку позволяет заменить централизованную резервную мощность распределенной моделью. Например, многие новые конструкции обнаруживают резервные батареи в каждой стойке. Как и в случае с охлаждением RDHX, этот переход от общесистемного устройства к функции уровня стойки расширяет стойку в качестве единицы вычислительной мощности, что повышает масштабируемость, повышает надежность и повышает энергоэффективность. Такая компоновка также исключает ИБП и их потери при преобразовании, обеспечивая при этом изоляцию неисправностей в резервной энергосистеме, в лучшем случае, отдельной стойке.
Тенденции мощности стойки сервера
Сильная тенденция в распределении мощного электронного системного уровня проходит через несколько секторов, включая телекоммуникационные, дата-центры, промышленные, авиационные и осветительные приборы: 48 В заменяет 12 В как предпочтительный низковольтный стандарт распределения мощности для новых конструкций. Недавнее пожертвование Google по спецификации стойки для центров обработки данных 48 В для проекта Open Compute подтверждает эту тенденцию и говорит о преимуществах эффективности, которые Google достиг с 48 В.
По мере того, как рассеивание в стойке увеличивалось, ток превышает мощность 12-вольтовых распределителей. Исследование NTT 2013 года показывает, что практический предел для линий 12 В составляет около 2, 5 кВт / м. Это же исследование показывает, что питатели 48 В могут подавать до 30 кВт / м. Несмотря на то, что мотивы перехода к схемам распределения мощности на уровне 48 В по аналогии в нескольких упомянутых ранее секторах, центры обработки данных, возможно, находятся под большим давлением для этого. Скорость конвертации с 12-вольтовой в 48-вольтовую мощность в стойке посредством новой установки или модернизации, похоже, прошла точку перегиба, так как эта тенденция продолжает ускоряться.
Появление 48-вольтовой власти в кабинете является стратегическим по нескольким причинам. 48 В - это наивысшее номинальное напряжение распределения, которое может соответствовать стандартным требованиям безопасного сверхнизкого напряжения (SELV), оставляя при этом достаточный запас для схем защиты от перенапряжения (OVP). Системы, работающие от потенциалов SELV, обеспечивают многократную экономию по сравнению с системами, требующими более высоких напряжений распределения: они экономичны в пространстве, избегая требований к утечке и разграничению расстояний, которые устанавливаются стандартами безопасности между устройствами и трассировками печатных плат, которые подключаются непосредственно к источнику питания и обслуживают схемы с низким напряжением. Они используют компактные и сравнительно недорогие разъемы и избегают изоляционных панелей, необходимых в установках, отличных от SELV, для того, чтобы технические специалисты не трогали опасные потенциальные потенциалы. Они также устраняют требования к обучению и сертификации технического персонала для обслуживающего и обслуживающего персонала для доступа к схемам, отличным от SELV.
Двумя основными преимуществами системного уровня для распределения в стойке 48 В являются потери на использование и распределение меди: при заданном уровне мощности и поперечном сечении шины системы 48 В уменьшают потери на распределительной шине на 94% по сравнению с 12 В конструкций. В качестве альтернативы, для данного поперечного сечения шина распределения 48 В может обеспечивать в четыре раза большую мощность 12-вольтовой системы с одинаковой потерей шины. На практике проекты имеют тенденцию разделить экономию между более низкими потерями I2R и меньшими затратами на кабельную связь. В некоторых приложениях, например, в транспортном секторе, более низкий вес, соответствующий уменьшенным требованиям к кабелям, приносит дополнительную экономию средств.
Силовые тренды сервера
Рассеяние мощности на серверных материнских платах за последние четыре года увеличилось на 60%, несмотря на значительные усилия в области инженерных дисциплин для устройств, процессов и IC-проектирования для повышения энергоэффективности вычислительных ресурсов. Как и в случае с распределением мощности 12 В в стойке, высокий спрос на процессорный ток приводит к тому, что традиционный многофазный силовой преобразователь - переходная архитектура в течение последних трех десятилетий - к его практическим пределам.
Даже по мере того, как потоки питания процессора продолжают расти, материнская плата сервера становится все более переполненной рядом с процессором, сжимает макеты и еще больше усложняет термические конструкции. Например, усовершенствованные процессоры имеют четыре канала памяти, разделенных между так называемым восточным и западным краями сборки процессорного гнезда. В результате регион на материнской плате сервера к югу от процессора, исторически отложенный для преобразователя мощности процессора и связанной с ним маршрутизации, теперь является более узким коридором.
Область, граничащая с обеих сторон высокоскоростными трассами, обслуживающая память DIMM, теперь является общей областью для разломов макета из-за помех между подсистемой питания и памяти. Даже дизайнеры платформ, оснащенные программным обеспечением для экстрагирования паразитов, столкнулись с трудностями с макетами в этой области. Вызовы возникают из-за скорости задействованных сигналов; высокая плотность следов; и, с многофазными преобразователями, выбросы от большого количества пассивных компонентов в этом районе.
Кроме того, как представляется, мало возможностей увеличить выходной ток многофазных преобразователей более чем постепенно, за исключением добавления дополнительных фаз. Имея доступное пространство макета, проекты могут делать это только с оптимизированными макетами, которые демонстрируют большие потери энергии, добавление к уже сложной тепловой среде и более низкое регулирование нагрузки. Аналогичным образом, дальнейшие улучшения в контроллерах, силовых МОП-транзисторах и пассивных компонентах, вероятно, лишь незначительно улучшат плотность мощности топологии. Учитывая ограничения пространства, особенно в приложениях, использующих четырехканальную память, этот подход уже не столь практичен, как альтернативные архитектуры подсистемы питания.
Например, архитектура Vicor Factorized Power для приложений с прямой нагрузкой 48 В использует простую комбинацию PRM (модуль предварительного регулятора) и VTM (модуль преобразования напряжения). Это двухчиповое одноступенчатое преобразование от 48 В непосредственно к CPU обеспечивает эффективность, равную эффективности традиционных многофазных схем, конвертирующих только от 12 В в CPU. Эта компоновка также создает более гибкий и, в конечном счете, более компактный процессор, который решает многие технические проблемы, которые сложны для многофазных конструкций для соответствия (см. Рис.2).
Рисунок 2: PRM и VTM образуют прямую 48-V-процессорную силовую подсистему, которая устраняет объемную емкость и импульсные индукторы. Источник: Викор.
VTM, высокоинтегрированное 3D-упакованное устройство, реализует топологию SAC (синусоидальный преобразователь), поэтому ее выбросы являются низкими и узкими полосами по сравнению с многофазными переключателями и связанными с ними индукторами. Он также обеспечивает большую плотность мощности, чем многофазные конструкции, при этом один VTM заменяет шесть ступеней многофазного переключения. VTM вписывается в небольшой размер, в пределах ограничений компоновки передовых процессоров, поддерживающих четырехканальную память, без посягательств на области макета подсистемы памяти (см. Рис. 3). Архитектура питания процессора с факторизацией Power позволяет удаленно размещать PRM от VTM, например, ближе к краю платы и вдали от других источников тепла и чувствительных узлов (см. Рисунок 4). Удаление PRM из тепловой и электромагнитной среды рядом с процессором и подсистемой памяти помогает смягчить эти ограничивающие факторы производительности сервера в дополнение к высвобождению дополнительной ценной недвижимости сразу вокруг CPU.
Рисунок 3: Только VTM находится рядом с процессорным гнездом, отбрасывая большую часть рассеивания подсистемы питания от процессора. Источник: Викор.
Рисунок 4: Возможность удаленного размещения PRM от VTM снижает вклад силовой подсистемы в тепловую и EMI-среду, расположенную рядом с подсистемой процессора и памяти. Источник: Викор.
Серверы высокой плотности подталкивали традиционные технологии поддержки к пределу их масштабируемости. 48-вольтовые источники питания уменьшают капитальные затраты, эксплуатационные расходы и улучшают масштабируемость на уровне стойки по сравнению с традиционными системами с 12 В. На материнской плате с разломом схема питания, подобная прямому процессору на основе VTM 48-V, является неотъемлемой альтернативой традиционному многофазному преобразователю, что обеспечивает высокую эффективность и высокую плотность конструкции, а также обеспечивает гибкость в том, как разработчики распределяют тепло и EMI источников, чтобы минимизировать их влияние на подсистемы процессора и памяти. Кроме того, схемы питания процессора на основе VTM остаются масштабируемыми в плотных вычислительных средах, где многофазные схемы быстро достигают своих пределов.
Рекомендации:
- Индекс Cisco Visual Networking: прогноз и методология, 2014 - 2019, технический документ, Cisco Systems, 2015.
- Перспективы развития мировой экономики: восстановление укрепляется, остается неравномерным, Международный валютный фонд, апрель 2014 года.
- Андерс, Андра и Питер Коркоран, Новые тенденции в потреблении электроэнергии для потребительских ИКТ, Национальный университет Ирландии, Голуэй, 2013 год.
- Gartner заявляет, что 6, 4 миллиарда подключенных «вещей» будут использованы в 2016 году, до 30 процентов с 2015 года, Gartner, 10 ноября 2015 года.
- Ситон, Ян, ведущий автор, «Топ-центры данных» и «Прогнозы», которые будут смотреть в 2016 году, «Технологии роста», 9 декабря 2015 года.
- Tanaka, Toru, внедрение системы электропитания HVDC в группе NTT и электроснабжение следующего поколения, NTT Energy and Environment Systems Laboratories, Nippon Telegraph and Telephone Corporation, февраль 2015 г.
- Централизованное охлаждение центра обработки данных с теплообменником с задней дверью - бюллетень по тематическим исследованиям, Федеральная программа по управлению энергией, Министерство энергетики США, июнь 2010 года.
РОБЕРТ ГЕНДДОН, вице-президент Vicor, www.vicorpower.com