導(dǎo)言
隨著數(shù)據(jù)量的增長和云計(jì)算等需求的提升,服務(wù)器耗電量呈現(xiàn)日益上升的趨勢,CPU的功耗也越來越高。Intel Purley服務(wù)器平臺(tái)CPU的TDP(Thermal Design Power,熱功耗)最高為205W,到了最新發(fā)布的Eagle Stream平臺(tái),單顆CPU的TDP增加至350W。隨著功耗的增加,損耗也水漲船高,如何實(shí)現(xiàn)低能源損耗的主板設(shè)計(jì)就成為了一個(gè)重要的課題。
英特爾電源匯流排技術(shù)(Power Corridor Solution)就是為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)而提出的創(chuàng)新,該項(xiàng)專利技術(shù)可以大幅降低服務(wù)器主板在CPU供電部分的傳輸損耗,并滿足電源性能要求,提高了服務(wù)器的能源轉(zhuǎn)換效率。
將英特爾電源匯流排技術(shù)應(yīng)用在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可以獲得可觀的電費(fèi)節(jié)省,做到綠色低碳,節(jié)能減排。根據(jù)英特爾與烽火超微合作的產(chǎn)品測試結(jié)果,對于一個(gè)擁有20萬臺(tái)雙路EGS平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心,配置 TDP為350W的CPU,在電費(fèi)成本0.12美元的條件下,五年內(nèi)可以節(jié)省最高900萬美元的電費(fèi)。
大電流帶來的損耗挑戰(zhàn)
CPU功耗的增加會(huì)給服務(wù)器主板帶來硬件上的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。高功耗的CPU需要主板電源線路承載更大的電流。電能在傳輸中的功率損失(P)與電流(I)、電阻(R)相關(guān),其關(guān)系為物理公式:
P=I2R
由公式可見,電流增加導(dǎo)致的損耗增加是平方關(guān)系,電流增加1倍,損耗增加3倍。這些功率損耗還會(huì)轉(zhuǎn)化為廢熱,增加服務(wù)器的散熱負(fù)荷。
主板設(shè)計(jì)能做的是盡量降低電源供電傳輸路徑上的阻抗,以滿足高功耗CPU的性能要求。這里的傳輸路徑阻抗指的是從給CPU供電的主電源Vccin的電源轉(zhuǎn)換控制器VR(Voltage Regulator)的輸出,到CPU 插槽(Socket)端的電源傳輸路徑阻抗Rpath,包含印刷電路板、封裝和插槽部分。
縮短導(dǎo)體長度、增加導(dǎo)體截面積可以降低阻抗。主板設(shè)計(jì)中降低供電傳輸路徑阻抗的傳統(tǒng)解決方法是增加印刷電路板(PCB)疊層或鋪更厚的銅,以增加電源層導(dǎo)體的總截面積。但這種方案會(huì)帶來成本上的大幅上升,譬如PCB從12層變更為14層,會(huì)增加成本 20%左右。
英特爾電源匯流排技術(shù)并不增加PCB疊層,而是在主板背面增加額外的供電銅排來實(shí)現(xiàn)的,如下圖所示:
該技術(shù)給原有主板設(shè)計(jì)帶來的改動(dòng)影響很小,只需要將一定厚度(0.8mm)的銅排,用表面貼裝技術(shù)(SMT)組裝到主板上即可。相應(yīng)的,CPU的背板需要切割出相當(dāng)于銅排大小的凹槽,以容納凸起于主板表面的銅排。銅排與背板凹槽接觸的一面覆蓋絕緣漆,另一面與主板上的供電路徑焊接在一起,即可實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通能力的提升。
這個(gè)方案的技術(shù)難點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn):
1. CPU背板的凹槽變動(dòng)帶來的CPU插座端的性能影響評(píng)估,如強(qiáng)度等;
2. 主板上PCB布線的改動(dòng);
3. 生產(chǎn)加工工藝技術(shù)對良率的影響,譬如匯流排焊接空泡率的控制等。
電源匯流排技術(shù)的實(shí)施需要生態(tài)鏈廠商的大力配合。英特爾聯(lián)合供應(yīng)鏈生態(tài)伙伴共同開展技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證,確保了新技術(shù)變更下的產(chǎn)品指標(biāo)滿足需求,如匯流條在焊接后的空泡率等達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)等。
烽火超微積極導(dǎo)入新技術(shù)
英特爾與中國服務(wù)廠商烽火超微合作,將電源匯流排技術(shù)應(yīng)用到了的后者基于英特爾Eagle Stream平臺(tái)的項(xiàng)目中。烽火超微應(yīng)用電源匯流排技術(shù)的主板CPU插座背面如下圖(右側(cè))所示:
經(jīng)過聯(lián)合開發(fā),烽火超微依據(jù)服務(wù)器量產(chǎn)的所有測試標(biāo)準(zhǔn),全方位、系統(tǒng)性地評(píng)估了這個(gè)方案的可行性,測試結(jié)果顯示這項(xiàng)技術(shù)是完全滿足量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的。具體評(píng)測項(xiàng)目包括:
• CPU電源性能測試和仿真分析
• 傳輸路徑阻抗Rpath和效率對比測試
• 系統(tǒng)散熱測試
• CPU功耗測試對比
• SPECpower測試
• 熱沖擊測試
• 沖擊和振動(dòng)測試
• 滲透染紅測試
• 空泡率測試(匯流排的焊接空泡率期望控制在5%以內(nèi))
• 電磁兼容EMC測試
• CPU背板和墊板可靠性評(píng)估
作為試點(diǎn)應(yīng)用電源匯流排技術(shù)的參考方案,烽火超微Eagle Stream平臺(tái)服務(wù)器配置如下:
系統(tǒng):FitServer R2280 V7機(jī)架式服務(wù)器
處理器:英特爾® 至強(qiáng)® Platinum 8458P 處理器(TDP 350W) × 2路
內(nèi)存:DDR5 4800 32GB × 16 條
硬盤:16TB HDD × 3
網(wǎng)卡:I350
RAID卡:LSI 9460-8i
測試結(jié)果顯示,對于配置了350W TDP CPU的英特爾Eagle Stream平臺(tái)兩路服務(wù)器系統(tǒng),使用英特爾電源匯流排技術(shù)可以在CPU 滿載壓力下的系統(tǒng)性能有如下直接提升:
• 約10W的整機(jī)功耗節(jié)省。
• CPU處理器供電傳輸路徑阻抗在remote sense 點(diǎn)降低24%,在遠(yuǎn)端降低31%。
• 電源轉(zhuǎn)換控制器VR效率額外提升0.7%。
• SPECpower在滿載時(shí)的測試分?jǐn)?shù)提高1%,優(yōu)化了系統(tǒng)能效比。
• CPU插座底部附近溫度最高降低4℃。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了電源仿真分析,結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。
對于CPU非滿載下的工況,應(yīng)用電源匯流排技術(shù)的樣機(jī)也有不錯(cuò)的節(jié)能效果。如80% TDP負(fù)載時(shí),整機(jī)能耗依然可以節(jié)省多達(dá)7W。在50% TDP負(fù)載下,整機(jī)能耗可節(jié)省3W。多種功耗下的測試數(shù)據(jù)表明,CPU功耗越高,電源匯流排技術(shù)帶來的節(jié)能效果越可觀。
電源匯流排技術(shù)除了直接提升了能效,還間接提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和平臺(tái)的升級(jí)潛力。譬如,從降低CPU插座底部溫度看,一方面是由于阻抗減小使得損耗廢熱隨之減少,另一方面,銅排本身也提供了導(dǎo)熱和散熱功能。這使得服務(wù)器主板以及元器件能將熱量均衡快速的釋放到外部,保證系統(tǒng)更加穩(wěn)定運(yùn)行。面向未來處理器的發(fā)展,原有主板可以額外支持更高功耗的CPU而不需要通過增加PCB電源疊層或者增厚銅箔。
巨細(xì)靡遺,涓流匯海
根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn),數(shù)據(jù)中心約有70%運(yùn)行成本來自電價(jià)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)量眾多,在龐大基數(shù)下,單臺(tái)服務(wù)器數(shù)瓦的能效差異也會(huì)在長期運(yùn)行中累積為巨大的數(shù)字。
假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)中心,部署了20萬臺(tái)前述配置的Eagle Stream平臺(tái)兩路服務(wù)器,電價(jià)為0.12美元,在連續(xù)運(yùn)營5年后,電源匯流排技術(shù)可以節(jié)省多少電費(fèi)呢?
如果按滿負(fù)荷下的能耗計(jì)算,如此規(guī)模的數(shù)據(jù)中心5年內(nèi)節(jié)省電費(fèi)最高可達(dá)931萬美元。
考慮到實(shí)際不同業(yè)務(wù)場下CPU利用率不同,數(shù)據(jù)中心需求也有峰谷差異,可以假設(shè)更多的場景。
• 當(dāng)所有CPU均運(yùn)行在80% 負(fù)載下,每臺(tái)節(jié)約7W功耗,累計(jì)可以節(jié)省約616萬美元。
• 如果只有80%的服務(wù)器滿載,累計(jì)可以節(jié)省721萬美元以上。
• 如果只有50%的服務(wù)器滿載,累計(jì)可以節(jié)省406萬美元以上。
• 即使是一個(gè)業(yè)務(wù)量非常不飽和的業(yè)務(wù)中心,所有CPU均只運(yùn)行在50%負(fù)載下,也可以節(jié)省約195萬美元的電費(fèi)。
精誠合作,堅(jiān)實(shí)落地
英特爾電源匯流排技術(shù)是一種可以降低服務(wù)器主板CPU供電傳輸損耗的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。在低碳節(jié)能的理念之下,烽火超微將這個(gè)創(chuàng)新方案積極導(dǎo)入到英特爾Eagle Stream服務(wù)器平臺(tái)中。
在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的過程中,英特爾本地技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)與烽火超微團(tuán)隊(duì)緊密合作,進(jìn)行了多次深度技術(shù)探討,共同確定了方案,實(shí)現(xiàn)了以最小改動(dòng)的方式優(yōu)化印刷電路板的布板設(shè)計(jì),確保了新技術(shù)和原有主板的良好兼容性設(shè)計(jì)。同時(shí),英特爾美國團(tuán)隊(duì)也積極參與評(píng)估了這項(xiàng)技術(shù)改動(dòng)對CPU端結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),確保符合量產(chǎn)的質(zhì)量需求。
由于生產(chǎn)工藝相對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定差異性,英特爾還聯(lián)合供應(yīng)鏈生態(tài)伙伴為客戶提供全方位的技術(shù)支持。經(jīng)過多次技術(shù)溝通和推動(dòng),連接器廠商安費(fèi)諾Amphenol和立訊Luxshare均可以提供主板背面的銅排;嘉澤Lotes提供改動(dòng)后的CPU背板;漢源Solderwell提供主板和銅排焊接接觸時(shí)所需要的固體錫片。這些廠商的積極參與使得這項(xiàng)技術(shù)迅速落地。
嚴(yán)格考驗(yàn),助力綠色節(jié)能
在系統(tǒng)驗(yàn)證階段,烽火超微對應(yīng)用英特爾電源匯流排技術(shù)的平臺(tái)進(jìn)行了從電源、散熱、電磁兼容、生產(chǎn)等方面的多維測試。結(jié)果顯示,通過電源匯流排技術(shù),可以使得系統(tǒng)損耗降低約10W,CPU供電傳輸路徑阻抗降低24%,總體效率在傳統(tǒng)電源方案基礎(chǔ)之上提升0.7%。而且,應(yīng)用新技術(shù)的產(chǎn)品平臺(tái)完全滿足量產(chǎn)測試標(biāo)準(zhǔn),可以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)與推廣。新的節(jié)能技術(shù)提升了烽火超微EGS平臺(tái)服務(wù)器的競爭力,從節(jié)能降本、提升穩(wěn)定性、擴(kuò)展升級(jí)潛力方面為客戶提供更多的價(jià)值。
面向數(shù)據(jù)中心的低能耗服務(wù)器設(shè)計(jì)是重要的開發(fā)方向,可以更好滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的部署需要,符合國家雙碳戰(zhàn)略,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的節(jié)能減排,助力行業(yè)綠色節(jié)能發(fā)展。
關(guān)于烽火超微
烽火超微致力于為客戶提供“可端到端定制化、快速交付響應(yīng)、可信賴的質(zhì)量保障”三大價(jià)值,面向廣闊的智能計(jì)算市場,烽火超微將進(jìn)一步完善和拓展信息技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局,堅(jiān)持“開源、開放、共享、共贏”的理念,和行業(yè)合作伙伴一起,共同打造一個(gè)完整的ICT生態(tài)環(huán)境,幫助客戶在產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)運(yùn)營、客戶管理、供應(yīng)鏈管理等環(huán)節(jié)加速數(shù)字化進(jìn)程,促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。
關(guān)于英特爾
英特爾(NASDAQ: INTC)作為行業(yè)引領(lǐng)者,創(chuàng)造改變世界的技術(shù),推動(dòng)全球進(jìn)步并讓生活豐富多彩。在摩爾定律的啟迪下,我們不斷致力于推進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與制造,幫助我們的客戶應(yīng)對最重大的挑戰(zhàn)。通過將智能融入云、網(wǎng)絡(luò)、邊緣和各種計(jì)算設(shè)備,我們釋放數(shù)據(jù)潛能,助力商業(yè)和社會(huì)變得更美好。
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