Energiatehokkuuden tahdissa pysyminen

Koneoppimisella ja tekoälyllä on tulossa suuri rooli tässä tilassa. Pyrkimys suurempiin prosessointivalmiuksiin on myös voimistunut, mikä on johtanut yhä suurempitehoisiin CPU-ominaisuuksiin, ja erityisesti se on johtanut kiihdytintekniikoiden (GPU, FPGA) käytön viimeaikaiseen nousuun laskentaintensiivisten tekoälysovellusten edellyttämien erittäin nopeiden rinnakkaiskäsittelyominaisuuksien tarjoamiseksi.

Nämä kehittyneet tekoälyteknologiat ja muut kasvavat laskentatarpeet edellyttävät uutta tehoarkkitehtuuria prosessointikapasiteetin lisäämiseksi. Vaikka tämä uudelleensuunnittelumahdollisuus tuo mukanaan useita etuja, sen ratkaiseminen ei ole yksinkertainen ongelma.

Virtaongelma

Siirtyminen korkeampiin prosessointiominaisuuksiin tuo mukanaan ratkaisevan järjestelmäsuunnittelukysymyksen, joka liittyy sähkövirran syöttöön.  Nykyisten prosessorien hienompi valmistusgeometria (alle 10 nm) mahdollistaa nopeamman virranvaihdon, mikä johtaa lyhyempään viiveeseen ja pienempään viiveeseen, mikä puolestaan vaatii pienempää jännitettä - alle 1 volttia (V) - käsittelyn ohjaamiseksi.  Mutta Ohmin lain (P = V * I) mukaan, jos teho (P) kasvaa ja jännite (V) on pienempi, virran (I) on kasvettava. Tästä tulee ongelma, koska suuremman virran toimittaminen suorittimen muottiin tai "pakettiin" vaatii useampien kantatappien käyttämistä suuremman virran kuljettamiseen - kantanastat, joita muuten voitaisiin käyttää järjestelmän paremman toiminnallisuuden tarjoamiseen (eli I/O, järjestelmän hallinta). Esimerkiksi System on a Chip (SoC) -mallit asettavat enemmän toimintoja itse siruun, joten kysymys kuuluu: miten toimitat enemmän tehoa tehokkaasti menettämättä mahdollisia toimintoja. Tämä on tärkeää, koska mittakaavassa pienistäkin tehokkuuden lisäyksistä tulee merkittäviä; Yksi watti palvelinta kohden 100K-palvelimille voi säästää satoja tuhansia dollareita näiden palvelinten elinkaaren aikana.

Lisääntynyt jänniteratkaisu

Yksi ratkaisuista, jotka saavat hyväksynnän teollisuudessa tänään, on toimittaa palvelimelle suurempi jännite (kuten 48 V). Google ilmoitti Open Compute Project ("OCP") Summit 2016 -tapahtumassa aloitteesta, jonka tarkoituksena on edistää 48 V:n palvelin- ja jakeluinfrastruktuuria palvelinkeskusten standardina. Tämä malli sisältää useita muutoksia toimitusarkkitehtuuriin (kuvattu alla), jotka voivat tarjota seuraavia etuja:

• Lisää tehoa suorittimelle (ilman pienimpiä hylsyjä ja liittimien nastoja ja kokoja)
• Pienempi energiahäviö tehon muuntamisessa (vähemmän, tehokkaampia muunnoksia)
• Vähemmän tungosta emolevyn suunnittelussa (vähemmän tehokerroksia ja jäljitysalueita)
• Pienemmät kaapelit, liittimet ja virtakiskot
• Pienemmät sähkönjakeluhäviöt
• Korkeammat tehorajat verrattuna 12 V:n kehikkoihin

48V valittiin, koska se ei vaadi erityisiä turvarajoja. Mitä tahansa yli 60 V: n jännitettä pidetään "korkeajännitteenä" ja se vaatisi ylimääräistä turvaeristystä. Joten Ohmin lakia käytettäessä 48 V vähentää virtaa nelinkertaisesti, mutta jättää silti turvamarginaalin.

On huomattava, että Intel mainosti kerran 48 V: n palvelimia 1990 -luvun lopulla, mutta hävisi sitten 12 V: n palvelinmalleille tuon aikakauden rajoitetun jännitteensäätimen tiheyden ja tehonmuuntotehokkuuden sekä korkeampien komponenttikustannusten vuoksi.

Virransyöttö

48 V: n tehomallin etujen ymmärtämiseksi se auttaa ensin ymmärtämään, miten virta toimitetaan tänään. Nykyään sähkölaitos tuottaa tyypillisesti vaihtovirtaa (AC) 220–240 V:n jännitteellä, joka puolestaan muunnetaan järjestelmän virtalähdeyksiköllä (PSU) 12 V:ksi. Se muunnetaan uudelleen järjestelmän emolevyllä sijaitsevaan jännitesäätimeen 12 V: sta 1, 7 V: iin (käytämme Intel-toteutusesimerkkiä). Tämä 1,7 V:n kisko on noin kaksi kertaa suurempi kuin jännite, jota suoritin lopulta tarvitsee vähentääkseen emolevyltä tulevaa virtaa, jotta vähemmän nastoja voidaan käyttää virran toimittamiseen prosessorin alustalle. Mutta teho on muunnettava jälleen muotissa ja substraatissa, jotta päästään prosessorin tarvitsemille alle yhden voltin tasoille. 

Sähkönjakelun häviön tehottomuus

Jokaisessa muuntovaiheessa menetetään jonkin verran tehoa/energiaa. On arvioitu, että nykyisten perinteisten datakeskusten (apuohjelmista prosessoreihin jäähdytykseen) kokonaisenergiatehokkuus on tyypillisesti ollut 80 prosentin puolivälissä, vaikka nykyisten virtalähteiden (PSU) ja sisäänrakennettujen jännitesäätimien (VR) tehottomuus on ollut jo selvästi yli 90 prosenttia.  Lisäksi tämä energia menetetään lämmön muodossa, mikä johtaa siihen, että datakeskusten on käytettävä vielä enemmän energiaa (ja kustannuksia) näiden korkeamman suorituskyvyn järjestelmien jäähdyttämiseen. Energiatehokkuuden parantaminen (energiahävikin eliminointi) mahdollistaa viime kädessä palvelinkeskusten jäähdytyskustannusten säästämisen. Yksikin prosenttiyksikön lisäys tehokkuudessa tuo merkittäviä taloudellisia ja ympäristöhyötyjä.

Sähkönjakeluhäviöt ovat virran neliön funktio (teho = I2R).  Joten virran (I) määrän vähentäminen tietyn vastuksen (R) kautta vaikuttaa häviön määrään.  Virran vähentäminen voidaan saavuttaa lisäämällä jännitettä (Ohmin laki), mikä lisää kiinnostusta 48 V: n malliin.

Uudet virransyöttötavat

Tällä hetkellä tehokas virransyöttö suuritehoisille prosessoreille on edelleen dynaaminen alue; Erilaisia lähestymistapoja noudatetaan. Seuraavassa kuvataan kaksi tällaista lähestymistapaa ja kunkin edut.

Yksi tapa lisätä tehokkuutta on ollut toimittaa 48 volttia suoraan prosessoripakkauksen substraattiin ja muuntaa sitten substraatilla alle 1 V: ksi. Tämä lähestymistapa eliminoi yhden muunnosvaiheen (lisää tehokkuutta) ja mahdollistaa alhaisen virran toimittamisen alustaan (lisää tapin saatavuutta).  Koska pakkausalustalla on kuitenkin erittäin vähän tilaa, tehonmuuntimen 48 V: sta alle yhteen volttiin on oltava tiheä ja matalaprofiilinen, joten tämän tekniikan käyttöönotto on edelleen monimutkaista ja kallista.

Toinen lähestymistapa on ollut toimittaa 48 volttia emolevylle.  Siinä vaiheessa jännitesäädin muuntaa sen alijännitteeksi (kuten 0.85 V) ja toimittaa sen sitten suoraan prosessorille.  Tämä lähestymistapa eliminoi myös yhden muunnoksen (lisää tehokkuutta), mutta sen on toimitettava suurempi virta alustaan, mikä ei salli säästöä virransyöttötappien lukumäärässä. Tämä lähestymistapa on yleisempi, koska se on yksinkertaisempi ja halvempi kuin suoratoimitusmalli.

Muut edut

Joitakin muita etuja voidaan saada myös siirtymällä 48 V: n malliin. Täysin integroidussa kehikkomittakaavan ratkaisussa, koska 48 V:n väylätanko kuljettaa 4 kertaa vähemmän virtaa kuin 12 voltin väylätanko, se voi mahdollisesti säästää 16x (I2) sähkönjakeluhäviön, jos samaa väylätankoa käytetään kehikon virranjakeluun.  Tämä voi johtaa siihen, että kaapeleiden (tai väyläpalkkien) suunnittelukäytäntö on ohuempia (korkeampi raideleveys), koska ne kuljettavat vähemmän virtaa.

Sekä tilaa että kustannuksia voidaan säästää, kun komponentit (liittimet, kondensaattorit, kaapelit ja väylätangot) pienenevät, ja kun tilaa vapautuu, järjestelmäsuunnittelijoille avautuu enemmän suunnitteluvaihtoehtoja.

Telineen tasolla nämä edut moninkertaistuvat. 48 V: n kehikon virranjakelumalli (samanlainen kuin 12 V: n telinetason virranjakelu) tarjoaa mahdollisuuden toteuttaa hajautettu tasavirta (DC) UPS ja eliminoi tarpeen tilaa vievälle laitostason vaihtovirralle (AC) UPS, joka on tilavan lisäksi joustamaton ja vaikea huoltaa.  Sitä vastoin hajautettu DC UPS yhdistettynä nykyaikaisiin litiumpohjaisiin akkutekniikoihin on kompaktimpi, kevyempi ja helpompi huoltaa.  Sen lisäetuna on käytön mukaan laskutettava, eli se voi lisätä kapasiteettia dynaamisesti aina, kun lisäkapasiteettia tarvitaan.

Se on edelleen 12 voltin maailma

Huolimatta kiinnostuksesta 48 V: n tehokkuuteen, nykyiset 12 V: n palvelimen emolevyt ovat olleet olemassa 20+ vuotta. Kahdentoista voltin infrastruktuuri on hyödyke - sitä on nykyään valtava määrä maailmassa - ja nykyinen 12 V: n toimitusketju on optimoitu. Joten muuntaminen korkeampaan jännitteeseen ei ole kaikkialla infrastruktuurissa. Esimerkiksi kiintolevyt ovat edelleen 12 V: n kokoisia, jotta voidaan hyödyntää monenlaisia todistettuja vaihtoehtoja nykypäivän tallennusmarkkinoilla, joten valtavirran palvelinmallit sisältävät edelleen 12 V: n tehon lähitulevaisuudessa. Mutta prosessointitehon kyltymättömän janon myötä voidaan odottaa enemmän korkeamman jännitteen toimitettujen patruunoiden ja emolevyjen käyttöönottoja, kuten näemme jo tekoälyn ja koneoppimisen alueilla.

Ollakseni täysin selvä, 48 V: n jännitteensäätöratkaisut, jotka soveltuvat valtavirran emolevy- tai prosessoripakettisovelluksiin (eli suurella tiheydellä, tehokkuudella ja kustannusoptimoiduilla) ovat edelleen rajalliset.  Mutta johtavat virranhallinnan puolijohdetoimittajat yhdessä tehonmuuntoteollisuuden kanssa työskentelevät intensiivisesti sen parissa, ja on odotettavissa, että tulevina vuosina tulee saataville kannattavampia ratkaisuja.  Prosessori- ja pakkausteknologioiden kehitys voi tuoda aikakauden, jossa viimeisen vaiheen muuntaminen korkean jännitteen muuntosuhteella voi tapahtua prosessorin piissä ja / tai sen pakkaussubstraatissa, ja korkeampi jännite voi syöttää suoraan niihin.

Johtopäätös

Yksi datakeskusten suurimmista haasteista on energiatehokkuuden parantaminen. Niin monissa tapauksissa pyrkimys suurempaan tehokkuuteen tarkoittaa energian ja siihen liittyvien käyttökustannusten säästämistä ja siten kokonaiskustannusten (TCO) säästämistä. Joten vielä suuremman virrankulutuksen tarve tekee paljon tärkeämmäksi puristaa mahdollisimman korkean hyötysuhteen.  

Dell EMC tekee yhteistyötä monenlaisten asiakkaiden kanssa auttaakseen ratkaisemaan joitakin monimutkaisimmista ja mielenkiintoisimmista koneoppimisongelmista. Extreme Scale Infrastructure (ESI) -ryhmä on sitoutunut pysymään ajan tasalla uusimmista energiatekniikoista ja soveltamaan niitä siellä, missä ne ovat järkeviä, jotta voimme auttaa asiakkaitamme vastaamaan tehokkaasti heidän vähentymättömään prosessointikapasiteettiinsa.

Lisätietoja siitä, mitä Dell EMC Extreme Scale Infrastructure tekee energiatekniikan suhteen, saat ottamalla yhteyttä ESI@dell.com.

–

–