Hold trit med energieffektiviteten

Maskinindlæring og AI kommer til at spille en stor rolle i dette rum. Til gengæld er presset for større behandlingskapaciteter også intensiveret, hvilket fører til stadig højere CPU-kapaciteter og har især resulteret i den nylige stigning i brugen af acceleratorteknologier (GPU, FPGA) til at levere de ultrahurtige parallelle behandlingsfunktioner, der er nødvendige for beregningsintensive AI-applikationer.

Disse avancerede AI-teknologier og andre stigende beregningsbehov kræver en ny strømarkitektur for effektivt at levere mere processorkapacitet, og selvom denne mulighed for at redesigne giver flere fordele, er det ikke et let problem at løse.

Magtproblemet

Skubbet til højere behandlingskapaciteter medfører et afgørende systemdesignproblem relateret til elektrisk strømforsyning.  Den finere produktionsgeometri i nutidens processorer (mindre end 10 nm) giver mulighed for hurtigere strømskift, hvilket resulterer i mindre forsinkelse og lavere latenstid, hvilket igen kræver lavere spænding - under 1 volt (V) - for at drive behandlingen.  Men efter Ohms lov (P = V * I), hvis effekten (P) øges og spændingen (V) er lavere, skal strømmen (I) stige. Dette bliver et problem, fordi levering af højere strøm til processormatricen eller "pakken" kræver, at der bruges flere sokkelben til at bære de højere strømstikstifter, der ellers kunne bruges til at give større systemfunktionalitet (dvs. I / O, systemadministration). For eksempel sætter System on a Chip (SoC) design mere funktionalitet på selve chippen, så spørgsmålet bliver derefter: hvordan leverer du mere strømeffektivt uden at miste potentiel funktionalitet. Dette er vigtigt, fordi selv små effektivitetsgevinster i stor skala bliver betydelige; en watt pr. server for 100K servere kan spare hundredtusindvis af dollars i løbet af disse serveres livscyklus.

Løsning med øget spænding

En af de løsninger, der finder accept i branchen i dag, er at levere øget spænding (som i 48V) til serveren. På Open Compute Project ("OCP") Summit 2016 annoncerede Google et initiativ til at fremme 48V server- og distributionsinfrastruktur som standard for datacentre. Denne model indebærer flere ændringer af leveringsarkitekturen (beskrevet nedenfor), som kan give følgende fordele:

• Mere strøm til processoren (uden reducering af sokkel- og stikben og -størrelser)
• Mindre energitab ved strømkonvertering (færre, mere effektive konverteringer)
• Mindre trængsel på bundkortets design (færre kraftlag og sporingsområder)
• Mindre kabler, stik og samleskinner
• Lavere strømfordelingstab
• Højere strømgrænser sammenlignet med 12V-racks

Valget af 48V blev truffet, fordi det ikke kræver nogen særlige sikkerhedsgrænser. Alt over 60V betragtes som "højspænding" og kræver yderligere sikkerhedsisolering. Så ved at bruge Ohms lov giver 48V en firedobbelt reduktion i strømmen, men efterlader stadig en sikkerhedsmargen.

Det skal bemærkes, at 48V-servere engang blev promoveret af Intel i slutningen af 1990'erne, men derefter tabt til 12V-serverdesign på grund af den æras begrænsede spændingsregulatortæthed og strømkonverteringseffektivitet og højere komponentomkostninger.

Strømforsyning

For at forstå fordelene ved 48V-strømmodellen hjælper det først at forstå, hvordan strøm leveres i dag. I dag leverer et elværk typisk vekselstrøm (AC) ved 220V til 240V, som igen konverteres af et systems strømforsyningsenhed (PSU) til 12V. Det konverteres igen i en spændingsregulator placeret på systemets bundkort fra 12V til 1.7V (vi bruger et Intel-implementeringseksempel). Denne 1.7V-skinne er cirka dobbelt så høj som den spænding, CPU'en i sidste ende har brug for for at reducere den strøm, der leveres fra bundkortet, så færre ben kan bruges til at levere strømmen til processorsubstratet. Men strøm skal konverteres endnu en gang på matricen og substratet for at komme til de sub-one volt niveauer, der er nødvendige for processoren. 

Tab af elektrisk distribution ineffektivitet

På hvert konverteringstrin går et vist niveau af strøm / energi tabt. Det er blevet anslået, at den samlede strømeffektivitet i nutidens traditionelle datacentre (fra forsyningsselskaber til processorer til køling) typisk har været i midten af 80%-området, selvom ineffektiviteten af nutidens strømforsyningsenheder (PSU'er) og indbyggede spændingsregulatorer (VR) allerede har været langt over 90%.  Denne energi går også tabt i form af varme, hvilket resulterer i, at datacentre skal bruge endnu mere energi (og omkostninger) på at afkøle disse systemer med højere ydeevne. Øget strømeffektivitet (eliminering af energitab) giver i sidste ende datacentre mulighed for at spare på køleomkostningerne. Selv en stigning i effektiviteten på et enkelt procentpoint medfører betydelige økonomiske og miljømæssige gevinster.

Elektriske distributionstab er en funktion af kvadratet på strømmen (Power = I2R).  Så at reducere mængden af strøm (I) gennem visse modstand (R) påvirker mængden af tab.  Reduktion af strømmen kan opnås ved at øge spændingen (Ohms lov) og dermed skabe større interesse for 48V-modellen.

Nye tilgange til strømforsyning

På nuværende tidspunkt er effektiv strømforsyning til processorer med høj effekt fortsat et dynamisk område; Der følges forskellige tilgange. To sådanne tilgange og fordelene ved hver er beskrevet nedenfor.

En tilgang til at give større effektivitet har været at levere de 48 volt direkte til processorpakkens substrat og derefter konvertere til sub 1V på substratet. Denne fremgangsmåde eliminerer et konverteringstrin (øget effektivitet) og tillader levering af lav strøm til underlaget (øget stifttilgængelighed).  Men i betragtning af den meget begrænsede plads, der er tilgængelig på pakkesubstratet, skal effektkonverteren fra 48V til under en volt være af høj densitet og lav profil, så implementering af denne teknologi er stadig kompleks og dyr.

En anden tilgang har været at levere de 48 volt til bundkortet.  På det tidspunkt konverterer en spændingsregulator den til en underspænding (som i 0.85V) og leverer den derefter direkte til processoren.  Denne fremgangsmåde eliminerer også en konvertering (øget effektivitet), men skal levere højere strøm til underlaget, hvilket ikke tillader nogen besparelse i antallet af strømforsyningsstifter. Denne tilgang er mere almindelig, fordi den er mindre kompleks og billigere end modellen med direkte levering.

Andre fordele

Nogle andre fordele kan også udledes af at flytte til 48V-modellen. For en fuldt integreret rackvægtløsning, fordi en 48V-busstang transporterer 4x mindre strøm end en 12 volt-busstang, kan den potentielt spare 16x (I2) det elektriske fordelingstab, hvis den samme busstang bruges til rackstrømfordeling.  Dette kan resultere i, at en designpraksis for kabler (eller busstænger) bliver tyndere (højere sporvidde), fordi de bærer mindre strøm.

Både plads og omkostninger kan spares, da komponenter (stik, kondensatorer, kabler og samleskinner) reduceres i størrelse, og efterhånden som pladsen frigøres, stilles flere designmuligheder til rådighed for systemdesignere.

På rackniveau multipliceres disse fordele. 48V in-rack strømfordelingsmodellen (svarende til 12V rack niveau strømfordeling) giver mulighed for at implementere distribueret jævnstrøm (DC) UPS og eliminerer behovet for den voluminøse vekselstrøm (AC) UPS på anlægsniveau, som ud over at være omfangsrig er ufleksibel og vanskelig at servicere.  I modsætning hertil er distribueret DC UPS kombineret med moderne lithiumbaserede batteriteknologier mere kompakt, let og nem at servicere.  Det har også den ekstra fordel, at det muliggør en pay-as-you-go-funktion – dvs. at tilføje kapacitet dynamisk, når som helst der er behov for yderligere kapacitet.

Det er stadig en 12 volt verden

Uanset interessen for 48V-effektivitet har nutidens 12V-serverbundkort eksisteret i 20+ år. Tolv volt infrastruktur er en vare - den findes i enorme mængder i verden i dag - og dagens 12V forsyningskæde er optimeret. Så konverteringen til højere spænding vil ikke være allestedsnærværende på tværs af infrastrukturen. For eksempel vil harddiske stadig være 12V for at drage fordel af den brede vifte af dokumenterede muligheder på dagens lagermarked, så mainstream serverdesign vil fortsætte med at inkorporere 12V strøm i overskuelig fremtid. Men med den umættelige tørst efter processorkraft kan man forvente flere vedtagelser af højspændingsleverede patroner og bundkort, som vi allerede ser i AI- og Machine Learning-områderne.

For at være helt klar er 48V spændingsregulatorløsninger, der passer til almindelige bundkort- eller processorpakkeapplikationer (det vil sige med høj densitet, effektivitet og omkostningsoptimeret) stadig begrænsede.  Men førende strømstyringshalvlederleverandører arbejder sammen med strømkonverteringsindustrien intensivt på det, og det forventes, at mere levedygtige løsninger bliver tilgængelige i de kommende år.  Fremskridt inden for processor- og emballeringsteknologier kan indlede en æra, hvor den sidste trinkonvertering med højspændingskonverteringsforhold kan ske i processorens silicium og / eller på dets pakkesubstrat, og højere spænding kan føde direkte på dem.

Konklusion

En af de største udfordringer for datacentre er forbedringen af strømeffektiviteten. I så mange tilfælde kan stræben efter større effektivitet koges ned til at spare energi og de tilhørende driftsomkostninger og dermed spare de samlede ejeromkostninger (TCO). Så behovet for endnu større strømforbrug gør det så meget vigtigere at presse det højest mulige effektivitetsniveau ud.  

Dell EMC samarbejder med en lang række kunder om at hjælpe med at løse nogle af de mest komplekse og interessante problemer med maskinlæring. ESI-koncernen (Extreme Scale Infrastructure) er forpligtet til at holde sig ajour med de nyeste strømteknologier og anvende dem, hvor de giver mening, så vi kan hjælpe vores kunder med effektivt at imødekomme deres uformindskede efterspørgsel efter processorkapacitet.

Du kan få flere oplysninger om, hvad Dell EMC Extreme Scale Infrastructure gør med strømteknologier, ved at kontakte ESI@dell.com.

Ikke tilgængelig

Ikke tilgængelig