Pogoń za energooszczędnością

Uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja zaczynają odgrywać dużą rolę w tej przestrzeni. Z kolei dążenie do zwiększenia możliwości przetwarzania również nasiliło się, prowadząc do coraz większej mocy procesorów CPU, a w szczególności spowodowało ostatni gwałtowny wzrost wykorzystania technologii akceleratorów (GPU, FPGA) w celu zapewnienia ultra szybkich możliwości przetwarzania równoległego, niezbędnych dla aplikacji AI wymagających dużej mocy obliczeniowej.

Te zaawansowane technologie sztucznej inteligencji i inne rosnące potrzeby obliczeniowe wymagają nowej architektury zasilania, aby skutecznie zapewnić większą moc obliczeniową, i chociaż ta możliwość przeprojektowania przynosi pewne korzyści, to rozwiązanie tego problemu nie jest proste.

Problem zasilania

Dążenie do większych możliwości przetwarzania niesie ze sobą kluczowy problem projektowania systemu związany z dostarczaniem energii elektrycznej.  Precyzyjniejsza geometria produkcyjna dzisiejszych procesorów (poniżej 10 nm) pozwala na szybsze przełączanie zasilania, co skutkuje krótszymi czasami opóźnień i oczekiwania, wymagając niższego napięcia – poniżej 1 V – do napędzania przetwarzania.  Ale, zgodnie z prawem Ohma (P = V * I), jeśli moc (P) wzrasta, a napięcie (V) jest niższe, to natężenie (I) musi wzrosnąć. Staje się to problemem, ponieważ dostarczanie wyższego natężenia do matrycy procesora lub „pakietu” wymaga użycia większej liczby styków gniazda do przenoszenia wyższego natężenia – pinów gniazda, które w przeciwnym razie mogłyby być użyte do zapewnienia większej funkcjonalności systemu (tj. we/wy, zarządzania systemem). Na przykład projekty typu System on a Chip (SoC) zapewniają większą funkcjonalność samemu układowi, więc pojawia się pytanie: jak efektywnie dostarczyć więcej energii, nie tracąc potencjalnej funkcjonalności. To ważne, ponieważ na dużą skalę nawet niewielki wzrost wydajności staje się znaczący; jeden wat na serwer dla 100 tys. serwerów może przynieść oszczędności rzędu setek tysięcy dolarów w całym cyklu życia tych serwerów.

Rozwiązanie z podwyższonym napięciem

Jednym z rozwiązań, które spotyka się obecnie z akceptacją w branży, jest doprowadzenie podwyższonego napięcia (np. 48 V) do serwera. Na konferencji Open Compute Project („OCP”) Summit 2016 firma Google ogłosiła inicjatywę promowania infrastruktury serwerowej i dystrybucyjnej 48 V jako standardu dla centrów danych. Ten model obejmuje kilka zmian w architekturze dostarczania (opisanych poniżej), które mogą zapewnić następujące korzyści:

• Większa moc procesora (bez zmniejszania liczby pinów gniazd i złączy oraz rozmiarów)
• Mniejsze straty energii w konwersji mocy (mniej liczne, wydajniejsze konwersje)
• Mniejsze zatłoczenie płyty głównej (mniej warstw zasilania i obszarów śladów)
• Mniejsze przewody, złącza i szyny zbiorcze
• Mniejsze straty w dystrybucji mocy
• Wyższe limity zasilania w porównaniu z szafami 12 V

Wybór 48 V został dokonany, ponieważ nie wymaga on stosowania specjalnych granic bezpieczeństwa. Wszystkie wartości powyżej 60 V są uważane za „wysokie napięcie” i wymagałyby dodatkowej izolacji bezpieczeństwa. Zatem, stosując prawo Ohma, napięcie 48 V zapewnia czterokrotne obniżenie natężenia prądu, ale nadal pozostawia margines bezpieczeństwa.

Należy zauważyć, że serwery 48 V były promowane przez firmę Intel pod koniec lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, ale potem przegrały z serwerami 12 V ze względu na ograniczoną gęstość regulatorów napięcia i wydajność konwersji energii oraz wyższe koszty komponentów.

Zasilanie

Aby zrozumieć zalety modelu zasilania 48 V, warto najpierw zrozumieć, w jaki sposób energia dostarczana jest obecnie. Obecnie zakład energetyczny zazwyczaj dostarcza prąd przemienny (AC) o napięciu od 220 V do 240 V, który z kolei jest przekształcany przez zasilacz komputera na 12 V. Jest on ponownie przekształcany w regulatorze napięcia znajdującym się na płycie głównej komputera z 12 V na 1,7 V (korzystamy z przykładu implementacji firmy Intel). Napięcie szyny 1,7 V jest około dwukrotnie większe niż napięcie ostatecznie potrzebne procesorowi w celu zmniejszenia natężenia dostarczanego z płyty głównej, dzięki czemu można wykorzystać mniejszą liczbę pinów do dostarczania mocy do podstawy procesora. Ale moc musi zostać ponownie przekształcona na matrycy i podłożu, aby osiągnąć poziomy poniżej jednego wolta wymagane dla procesora. 

Nieefektywność strat dystrybucji energii elektrycznej

Na każdym etapie konwersji pewien poziom mocy/energii zostaje utracony. Szacuje się, że ogólna sprawność energetyczna dzisiejszych tradycyjnych centrów danych (od mediów, przez procesory, po chłodzenie) zwykle mieści się w średnim zakresie 80%, chociaż nieefektywność dzisiejszych zasilaczy i wbudowanych regulatorów napięcia wynosi już znacznie powyżej 90%.  Ponadto energia ta zostaje utracona w postaci ciepła, co powoduje, że centra danych muszą zużywać jeszcze więcej energii (i kosztów) na chłodzenie systemów o wysokiej wydajności. Zwiększenie energooszczędności (wyeliminowanie strat energii) pozwala centrom przetwarzania danych zaoszczędzić na kosztach chłodzenia. Wzrost wydajności nawet o jeden punkt procentowy przynosi znaczne korzyści finansowe i środowiskowe.

Straty w systemach dystrybucji energii elektrycznej są funkcją kwadratu wartości natężenia (moc = I2R).  Tak więc zmniejszenie natężenia (I) dzięki pewnej wartości rezystancji (R) wpływa na wielkość strat.  Zmniejszenie natężenia można osiągnąć poprzez zwiększenie napięcia (prawo Ohma), podsycając w ten sposób większe zainteresowanie modelem 48 V.

Nowe podejścia do zasilania

W chwili obecnej skuteczne dostarczanie mocy do procesorów o dużej mocy pozostaje obszarem dynamicznym; stosowane są różne podejścia. Poniżej opisano dwie takie koncepcje i zalety każdego z nich.

Jednym ze sposobów zapewnienia większej wydajności jest dostarczenie napięcia 48 V bezpośrednio do podstawy pakietu procesora, a następnie przekształcenie go w napięcie poniżej 1 V. Takie podejście eliminuje jeden etap konwersji (zwiększając wydajność) i pozwala na dostarczenie prądu o niskim natężeniu do podstawy (zwiększenie dostępności pinów).  Jednak biorąc pod uwagę bardzo ograniczoną przestrzeń dostępną na podłożu pakietu, konwerter mocy z 48 V na mniej niż 1 V musi mieć dużą gęstość i niewielkie rozmiary, więc wdrożenie tej technologii jest nadal skomplikowane i kosztowne.

Innym podejściem było zasilanie płyty głównej prądem o napięciu 48 V.  W tym momencie regulator napięcia przekształca je na napięcie poniżej jednego wolta (np. 0,85 V), a następnie dostarcza je bezpośrednio do procesora.  To podejście eliminuje również jedną konwersję (zwiększając wydajność), ale wiąże się z koniecznością dostarczenia do podstawy wyższego natężenia, co nie pozwala na zaoszczędzenie liczby pinów zasilania. Taka koncepcja jest bardziej powszechna, ponieważ jest mniej skomplikowana i tańsza niż model zasilania bezpośredniego.

Inne zalety

Przejście na model 48 V wiąże się również z kilkoma innymi korzyściami. W przypadku w pełni zintegrowanego rozwiązania do montażu w szafie serwerowej, ponieważ szyna zbiorcza 48 V przenosi 4 razy mniejsze natężenie niż szyna zbiorcza 12 V, może potencjalnie zaoszczędzić 16-krotność (I2) strat w układzie dystrybucji energii elektrycznej, jeśli ta sama szyna zbiorcza jest używana do dystrybucji zasilania w szafie.  Może to skutkować stosowaniem cieńszych kabli (lub szyn zbiorczych) (o większym przekroju), ponieważ przenoszą one mniejsze natężenie.

Zarówno miejsce, jak i koszty można zaoszczędzić, ponieważ komponenty (złącza, kondensatory, i szyny zbiorcze) są mniejsze, a wraz ze zwolnieniem miejsca projektanci systemów mają dostęp do większej liczby opcji projektowych.

Na poziomie szafy te zalety zostają zwielokrotnione. Model dystrybucji energii 48 V w szafie serwerowej (podobny do dystrybucji zasilania na poziomie szafy 12 V) zapewnia możliwość wdrożenia rozproszonego zasilacza UPS prądu stałego (DC) i eliminuje potrzebę stosowania nieporęcznego zasilacza UPS prądu przemiennego (AC) na poziomie obiektu, który oprócz tego, że ma duże rozmiary, to jest również nieelastyczny i trudny w serwisowaniu.  Natomiast rozproszony zasilacz UPS prądu stałego, w połączeniu z nowoczesnymi technologiami akumulatorów litowych, jest mniejszy, lekki i łatwy w serwisowaniu.  Dodatkową zaletą jest możliwość płatności na podstawie rzeczywistego zużycia, czyli dynamiczne dodawanie mocy za każdym razem, gdy potrzebna jest dodatkowa moc.

Wciąż świat 12 woltów

Niezależnie od zainteresowania wydajnością systemów 48 V, dzisiejsze serwerowe płyty główne 12 V istnieją od ponad 20 lat. Infrastruktura 12 V jest produktem – istnieje obecnie w ogromnych ilościach na świecie – a współczesny łańcuch dostaw 12 V jest zoptymalizowany. Tak więc konwersja na wyższe napięcie nie będzie wszechobecna w infrastrukturze. Na przykład dyski twarde nadal będą zasilane napięciem 12 V, aby wykorzystywać szeroką gamę sprawdzonych rozwiązań na dzisiejszym rynku pamięci masowej, więc popularne konstrukcje serwerów będą w dającej się przewidzieć przyszłości nadal zasilane napięciem 12 V. Niemniej wraz z nienasyconym pragnieniem mocy obliczeniowej można spodziewać się większej liczby zastosowań wkładów i płyt głównych zasilanych wyższym napięciem, co już obserwujemy w obszarach sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego.

Aby było jasne, rozwiązania w zakresie regulatorów napięcia 48 V, które nadają się do popularnych płyt głównych lub procesorów (czyli o dużej gęstości, wydajności i zoptymalizowanych kosztach), są nadal ograniczone.  Jednak wiodący dostawcy półprzewodników do zarządzania energią, wraz z branżą konwersji energii, intensywnie pracują w tej dziedzinie i oczekuje się, że w nadchodzących latach pojawią się rozwiązania bardziej opłacalne.  Postęp w zakresie technologii procesorów i pakietów może zapoczątkować erę, w której konwersja ostatniego stopnia o wysokim współczynniku konwersji napięcia może zachodzić w krzemie procesora i/lub w podstawie pakietu, a wyższe napięcie może być do nich dostarczane bezpośrednio.

Wnioski

Jednym z największych wyzwań dla centrów danych jest poprawa efektywności energetycznej. W wielu przypadkach dążenie do większej efektywności sprowadza się do oszczędzania energii i związanych z tym kosztów operacyjnych, a tym samym do obniżenia całkowitego kosztu użytkowania (TCO). W związku z tym, że zapotrzebowanie na energię jest coraz większe, tym ważniejsze staje się osiągnięcie jak najwyższej wydajności.  

Dell EMC współpracuje z wieloma klientami, aby pomóc rozwiązać niektóre z najbardziej złożonych i interesujących problemów związanych z uczeniem maszynowym. Grupa Extreme Scale Infrastructure (ESI) na bieżąco pracuje nad najnowszymi technologiami energetycznymi i angażuje się w stosowanie ich tam, gdzie mają sens, abyśmy mogli pomagać naszym klientom w efektywnym zaspokajaniu ich niesłabnącego zapotrzebowania na możliwości przetwarzania danych.

Aby uzyskać więcej informacji na temat działalności Dell EMC Extreme Scale Infrastructure dotyczącej technologii zasilania, skontaktuj się z ESI@dell.com.

Nie dotyczy

Nie dotyczy