Držíme krok s energetickou účinností

Strojové učení a umělá inteligence budou v tomto prostoru hrát velkou roli. Na druhé straně se také zintenzivnil tlak na větší možnosti zpracování, což vedlo ke stále výkonnějším schopnostem procesorů a zejména k nedávnému nárůstu používání akceleračních technologií (GPU, FPGA) k poskytování ultra vysokorychlostních možností paralelního zpracování potřebných pro výpočetně náročné aplikace AI.

Tyto pokročilé technologie umělé inteligence a další zvyšující se výpočetní potřeby vyžadují novou architekturu napájení, která efektivně zajistí větší výpočetní schopnosti, a přestože tato příležitost k přepracování přináší několik výhod, není to jednoduchý problém.

Problém s napájením

Tlak na lepší možnosti zpracování s sebou přináší zásadní problém návrhu systému související s dodávkou elektrické energie.  Jemnější výrobní geometrie dnešních procesorů (méně než 10 nm) umožňuje rychlejší přepínání napájení, což vede k menšímu zpoždění a nižší latenci, což zase vyžaduje nižší napětí – méně než 1 volt (V) – pro zpracování výkonu.  Ale podle Ohmova zákona (P = V * I), pokud se výkon (P) zvýší a napětí (V) je nižší, pak se musí zvýšit proud (I). To je problém, protože dodávání vyššího proudu do procesoru nebo „balíčku“ vyžaduje použití více pinů v socketu k přenosu vyššího proudu – pinů socketu, které by jinak mohly být použity k zajištění větší funkčnosti systému (tj. I/O, správa systému). Například provedení systém na čipu (SoC) obsahují více funkcí na samotném čipu, takže vyvstává otázka: jak dodávat energii efektivněji, aniž byste ztratili potenciální funkčnost. To je důležité, protože ve velkém měřítku se i malé zvýšení efektivity stává významným; Jeden watt na server pro 100 tisíc serverů může během životního cyklu těchto serverů ušetřit stovky tisíc dolarů.

Řešení se zvýšeným napětím

Jedním z řešení, které se dnes v průmyslu přijímá, je dodávat do serveru zvýšené napětí (např. 48 V). Na summitu Open Compute Project (OCP) 2016 společnost Google oznámila iniciativu propagující 48V serverovou a distribuční infrastrukturu jako standard pro datová centra. Tento model zahrnuje několik změn architektury doručování (popsané níže), které můžou poskytnout následující výhody:

• Větší výkon procesoru (bez snížení počtu pinů a velikostí socketu a konektoru)
• Menší ztráty energie při přeměně energie (menší počet konverzí a efektivnější konverze)
• Menší přeplněnost konstrukce základní desky (méně napájecích vrstev a trasových oblastí)
• Menší kabely, konektory a sběrnice
• Nižší ztráty v distribuci energie
• Vyšší limity výkonu ve srovnání s 12V racky

Volba 48 V byla učiněna, protože nevyžaduje žádné zvláštní bezpečnostní hranice. Cokoli nad 60 V je považováno za „vysoké napětí“ a vyžadovalo by další bezpečnostní izolaci. Takže při použití Ohmova zákona poskytuje 48 V čtyřnásobné snížení proudu, ale stále ponechává rezervu bezpečnosti.

Je třeba poznamenat, že 48V servery byly kdysi propagovány společností Intel na konci 90. let, ale poté prohrály s 12V serverovými konstrukcemi kvůli omezené hustotě regulátoru napětí a účinnosti konverze energie a vyšším nákladům na komponenty.

Napájení

Abychom pochopili výhody modelu napájení 48 V, je dobré nejprve pochopit, jak se dnes napájení dodává. V současné době energetická společnost obvykle dodává střídavý proud (AC) o napětí 220 V až 240 V, který je následně převáděn napájecím zdrojem (PSU) na 12 V. Opět se převádí v regulátoru napětí umístěném na základní desce systému z 12 V na 1,7 V (používáme příklad implementace společnosti Intel). Toto napětí 1,7 V je přibližně dvojnásobkem napětí, které procesor nakonec potřebuje, aby se snížil proud dodávaný ze základní desky, takže k dodávce energie do substrátu procesoru lze použít méně pinů. Ale energie musí být znovu převedena na čipu a substrátu, aby se dosáhlo úrovně pod 1 volt, která je potřeba pro procesor. 

Neefektivita ztrát elektrického rozvodu

V každé fázi přeměny dochází ke ztrátě určité úrovně výkonu/energie. Odhaduje se, že celková energetická účinnost dnešních tradičních datových center (od energetických zařízení po procesory a chlazení) se obvykle pohybuje kolem 80 %, ačkoli neúčinnost dnešních napájecích zdrojů (PSU) a integrovaných regulátorů napětí (VR) již výrazně přesahuje 90 %.  Tato energie se navíc ztrácí ve formě tepla, což vede k tomu, že datová centra musí vynakládat ještě více energie (a nákladů) na chlazení těchto výkonnějších systémů. Zvýšení energetické účinnosti (eliminace energetických ztrát) v konečném důsledku umožňuje datovým centrům ušetřit na nákladech na chlazení. I pouhé jedno procento zvýšení účinnosti přináší významné finanční a ekologické výhody.

Ztráty při distribuci elektřiny jsou funkcí druhé mocniny proudu (výkon = I2R).  Snížení množství proudu (I) prostřednictvím určitého odporu (R) tedy má vliv na množství ztrát.  Snížení proudu lze dosáhnout zvýšením napětí (Ohmův zákon), což vede k většímu zájmu o 48V model.

Nové přístupy k dodávání napájení

V současné době zůstává efektivní dodávka energie do vysoce výkonných procesorů dynamickou oblastí; jsou zkoumány různé přístupy. Dva z těchto přístupů a jejich výhody jsou popsány níže.

Jedním z přístupů k zajištění vyšší účinnosti je dodávka 48 voltů přímo do substrátu sady procesoru a následná konverze na méně než 1 V na substrátu. Tento přístup eliminuje jednu konverzní fázi (zvyšuje účinnost) a umožňuje dodávku nízkého proudu do substrátu (zvyšuje dostupnost pinů).  Vzhledem k velmi omezenému prostoru na substrátu sady však musí být měnič napětí z 48 V na méně než 1 V vysoce hustý a nízkoprofilový, takže implementace této technologie je stále složitá a nákladná.

Dalším přístupem je dodávání 48 voltů na základní desku.  V tomto bodě regulátor napětí převádí napětí na hodnotu nižší než jeden volt (například 0,85 V) a poté jej dodává přímo do procesoru.  Tento přístup také eliminuje jednu konverzi (což zvyšuje účinnost), ale musí dodávat vyšší proud do substrátu, což neumožňuje úsporu v počtu pinů pro napájení. Tento přístup je běžnější, protože je méně složitý a levnější než model přímého napájení.

Další výhody

Přechod na 48V model přináší i další výhody. V případě plně integrovaného řešení na úrovni racku může 48V sběrnice přenášet čtyřikrát méně proudu než 12V sběrnice, což může potenciálně ušetřit 16násobek (I2) ztráty při distribuci elektrické energie, pokud se stejná sběrnice používá pro distribuci energie v racku.  To může vést k návrhu tenčích kabelů (nebo sběrnic), protože přenášejí méně proudu.

Díky zmenšení velikosti komponent (konektorů, kondenzátorů, kabelů a sběrnic) lze ušetřit prostor i náklady a uvolněný prostor nabízí systémovým návrhářům více možností při navrhování.

Na úrovni racku se tyto výhody znásobují. Model distribuce energie 48 V v racku (podobný distribuci energie 12 V na úrovni racku) poskytuje možnost implementovat distribuované UPS se stejnosměrným proudem (DC) a eliminuje potřebu objemných UPS se střídavým proudem (AC) na úrovni zařízení, které kromě toho, že jsou objemné, jsou také nepružné a obtížně servisovatelné.  Naopak distribuované UPS na stejnosměrný proud v kombinaci s moderními technologiemi lithiových baterií jsou kompaktnější, lehčí a snadno se udržují.  Mají také další výhodu v podobě možnosti platby podle skutečného využití, tj. dynamického přidávání kapacity kdykoli je potřeba.

Stále je to 12V svět

Bez ohledu na zájem o účinnost 48 V jsou dnešní 12V základní desky serverů na trhu již více než 20 let. 12V infrastruktura je komodita – v dnešním světě existuje v obrovském množství – a dnešní 12V dodavatelský řetězec je optimalizován. Přechod na vyšší napětí tedy nebude v celé infrastruktuře všudypřítomný. Například pevné disky budou i nadále používat napětí 12 V, aby mohly využívat širokou škálu osvědčených možností na dnešním trhu úložišť, takže návrhy mainstreamových serverů budou v dohledné budoucnosti i nadále zahrnovat napájení 12 V. Vzhledem k neutuchající poptávce po výpočetním výkonu však lze očekávat větší rozšíření kazet a základních desek s vyšším napětím, jak již vidíme v oblastech umělé inteligence a strojového učení.

Aby bylo zcela jasno, řešení regulátorů napětí 48 V vhodná pro běžné aplikace základních desek nebo procesorových balíčků (tj. s vysokou hustotou, účinností a optimalizovanými náklady) jsou stále omezená.  Přední dodavatelé polovodičů pro správu napájení však společně s odvětvím přeměny energie intenzivně pracují na jejich vývoji a očekává se, že v příštích letech budou k dispozici životaschopnější řešení.  Pokroky v technologiích procesorů a balení by mohly zavést éru, kdy poslední fáze přeměny s vysokým poměrem přeměny napětí může proběhnout v čipu procesoru a/nebo na jeho substrátu sady a vyšší napětí může být přiváděno přímo na ně.

Závěr

Jednou z největších výzev pro datová centra je zlepšení energetické účinnosti. V mnoha případech se snaha o vyšší účinnost scvrkává na úsporu energie a souvisejících provozních nákladů, a tím i na úsporu celkových nákladů na vlastnictví (TCO). Kvůli potřebě ještě většího využití energie je tedy ještě důležitější dosáhnout co nejvyšší možné účinnosti.  

Společnost Dell EMC spolupracuje s celou řadou zákazníků na řešení některých z nejkomplexnějších a nejzajímavějších problémů v oblasti strojového učení. Skupina Extreme Scale Infrastructure (ESI) se zavázala držet krok s nejnovějšími technologiemi v oblasti napájení a aplikovat je tam, kde to dává smysl, abychom mohli našim zákazníkům pomoci efektivně uspokojit jejich neutuchající poptávku po výpočetním výkonu.

Chcete-li získat další informace o tom, jak tým Extreme Scale Infrastructure společnosti Dell EMC využívá technologie v oblasti napájení, kontaktujte nás na adrese ESI@dell.com.

Není k dispozici

Není k dispozici