Güç verimliliğine ayak uydurma

Makine öğrenimi ve yapay zeka bu alanda büyük bir rol oynamaya başlıyor. Buna karşılık, daha yüksek işleme kapasitesine yönelik baskı yoğunlaşarak CPU kapasitelerinin giderek artmasına yol açmış ve bu durum özellikle, bilgi işlem yoğun yapay zeka uygulamalarında gereken ultra yüksek hızlı paralel işleme kapasitelerini sağlamak için hızlandırıcı teknolojilerin (GPU, FPGA) kullanımında son zamanlarda artışla sonuçlanmıştır.

Bu gelişmiş yapay zeka teknolojileri ve diğer artan bilgi işlem ihtiyaçları, daha fazla işleme kapasitesini verimli bir şekilde sunmak için yeni bir güç mimarisi gerektirir ve bu yeniden tasarlama fırsatı çeşitli avantajlar sağlasa da çözülmesi kolay bir sorun değildir.

Güç sorunu

Daha yüksek işleme kapasitesine yönelik baskı, elektriksel güç dağıtımıyla ilgili çok önemli bir sistem tasarımı sorununu da beraberinde getiriyor.  Günümüz işlemcilerinin daha ince üretim geometrisi (10 nm'den az), daha hızlı güç anahtarlamasına olanak tanıyarak daha az gecikme ve daha düşük gecikme süresi sağlar, bu da işlemeyi gerçekleştirmek için daha düşük gerilim (1 voltun (V) altında) gerektirir.  Ancak Ohm yasasına göre (P=V*I), güç (P) artarsa ve gerilim (V) daha düşükse akım (I) artmalıdır. İşlemci kalıbına veya "paketine" daha yüksek akım sağlamak, bu akımı taşımak için daha fazla soket piminin kullanılmasını gerektirdiğinden, bu bir sorun haline gelir. Oysa söz konusu soket pimleri, daha fazla sistem işlevselliği (G/Ç, sistem yönetimi) sağlamak için kullanılabilir. Örneğin Çip Üzerinde Sistem (SoC) tasarımları, çipin kendisine daha fazla işlevsellik katar ve o zaman şu soru gündeme gelir: potansiyel işlevselliği kaybetmeden daha fazla gücü verimli bir şekilde nasıl sağlarsınız? Büyük ölçekte, verimlilikteki küçük artışlar bile anlamlı olduğundan bu önemlidir; 100 bin sunucu için sunucu başına bir watt, bu sunucuların yaşam döngüleri boyunca yüz binlerce dolar tasarruf sağlayabilir.

Artırılmış gerilim çözümü

Günümüzde sektörde kabul gören çözümlerden biri, sunucuya daha fazla gerilim (48 V gibi) sağlamaktır. Open Compute Project ("OCP") 2016 Zirvesi'nde Google, veri merkezleri için bir standart olarak 48 V sunucu ve dağıtım altyapısını teşvik etme girişimini duyurdu. Bu model, dağıtım mimarisinde (aşağıda açıklanmıştır) aşağıdaki avantajları sağlayabilecek çeşitli değişiklikler içerir:

• İşlemciye daha fazla güç (soket ve konnektör pimlerini ve boyutlarını azaltmadan)
• Güç dönüşümünde daha az enerji kaybı (daha az, daha verimli dönüşümler)
• Anakart tasarımında daha az kalabalık (daha az güç katmanı ve iz alanı)
• Daha küçük kablolar, konnektörler ve baralar
• Daha düşük güç dağıtım kayıpları
• 12 V raflara kıyasla daha yüksek güç sınırları

Özel güvenlik sınırları gerektirmediği için 48 V tercih edilmiştir. 60 V üzeri "yüksek gerilim" olarak kabul edilir ve ek güvenlik yalıtımı gerektirir. Bu nedenle, Ohm Yasası kullanılırken 48 V, akımda dört kat azalma sağlar ancak yine de bir güvenlik payı bırakır.

48 V sunucuların 1990'ların sonlarında Intel tarafından tanıtıldığı ancak daha sonra o dönemin sınırlı gerilim regülatörü yoğunluğu, güç dönüştürme verimliliği ve daha yüksek bileşen maliyetleri nedeniyle 12 V sunucu tasarımlarına yenik düştüğü unutulmamalıdır.

Güç dağıtımı

48 V güç modelinin avantajlarını anlamak için öncelikle gücün günümüzde nasıl sağlandığını anlamak yardımcı olur. Günümüzde bir elektrik şebekesi genellikle 220 V ila 240 V arasında Alternatif Akım (AC) sağlar ve bu da bir sistemin Güç Kaynağı Ünitesi (PSU) tarafından 12 V'a dönüştürülür. Sistem anakartında bulunan bir gerilim regülatöründe 12 V'tan 1,7 V'a tekrar dönüştürülür (bir Intel uygulama örneği kullanıyoruz). Bu 1,7 V ray, anakarttan iletilen akımı azaltmak için CPU'nun ihtiyaç duyduğu nihai gerilimin yaklaşık iki katıdır, böylece gücü işlemci alt tabakasına iletmek için daha az pim kullanılabilir. Ancak işlemci için gereken bir voltun altındaki düzeylere ulaşmak için kalıp ve alt tabaka üzerinde gücün bir kez daha dönüştürülmesi gerekir. 

Elektrik dağıtım kaybı verimsizlikleri

Her dönüşüm aşamasında bir miktar güç/enerji kaybedilir. Günümüzde geleneksel veri merkezlerinin (elektrik şebekelerinden işlemcilere ve soğutma sistemlerine kadar) genel güç verimliliğinin tipik olarak %80 civarında olduğu tahmin edilmektedir ancak günümüz güç kaynağı ünitelerinin (PSU'lar) ve yerleşik gerilim regülatörlerinin (VR) verimsizlikleri zaten %90'ın oldukça üzerindedir.  Ayrıca bu enerji ısı şeklinde kaybolur ve bu da veri merkezlerinin bu yüksek performanslı sistemleri soğutmak için daha fazla enerji (ve maliyet) harcamasına neden olur. Güç verimliliğinin artırılması (enerji kaybının ortadan kaldırılması), nihayetinde veri merkezlerinin soğutma maliyetlerinden tasarruf etmesini sağlar. Verimlilikte tek bir yüzde puanlık artış bile önemli finansal ve çevresel kazanımlar sağlar.

Elektrik dağıtım kayıpları, akımın karesinin bir fonksiyonudur (Güç = I2R).  Bu nedenle, akım miktarını (I) belirli bir dirençle (R) azaltmak, kayıp miktarını etkiler.  Akımı azaltmak, gerilimi artırarak (Ohm yasası) sağlanabilir, bu da 48 V modeline olan ilgiyi artırır.

Yeni güç dağıtımı yaklaşımları

Bu noktada, yüksek güçlü işlemcilere etkili güç dağıtımı, dinamik bir alan olmaya devam etmekte ve bu konuda çeşitli yaklaşımlar izlenmektedir. Bu tür iki yaklaşım ve her birinin avantajları aşağıda açıklanmıştır.

Daha fazla verimlilik sağlamaya yönelik bir yaklaşım, 48 voltu doğrudan işlemci paketi alt tabakasına iletmek ve ardından alt tabaka üzerinde 1 V'un altına dönüştürmek olmuştur. Bu yaklaşım, bir dönüştürme aşamasını ortadan kaldırır (verimliliği artırır) ve alt tabakaya düşük akım iletilmesine olanak tanır (pim kullanılabilirliğini artırır).  Bununla birlikte, paket alt tabakasında bulunan son derece sınırlı alan göz önüne alındığında, 48 V'u bir voltun altına dönüştüren güç dönüştürücünün yüksek yoğunluklu ve düşük profilli olması gerekir, bu nedenle bu teknolojinin uygulanması hala karmaşık ve pahalıdır.

Başka bir yaklaşım, 48 voltu anakarta iletmek olmuştur.  Bu noktada, bir gerilim regülatörü bunu bir voltun altına (0,85 V gibi) dönüştürür ve ardından doğrudan işlemciye iletir.  Bu yaklaşım aynı zamanda bir dönüşümü ortadan kaldırır (verimliliği artırır) ancak alt tabakaya daha yüksek akım iletmelidir, bu da güç dağıtım pimlerinin sayısında tasarruf sağlamaz. Bu yaklaşım, doğrudan dağıtım modelinden daha az karmaşık ve daha az maliyetli olduğu için daha yaygındır.

Diğer avantajlar

48 V modeline geçildiğinde başka avantajlar da elde edilebilir. Tam entegre bir raf ölçeği çözümü için 48 V'luk bir bara, 12 voltluk baradan 4 kat daha az akım taşıdığından, aynı bara raf güç dağıtımında kullanıldığında elektrik dağıtım kaybını 16 kat (I2) azaltabilir.  Bu durum, daha az akım taşıdıkları için kabloların (veya baraların) daha ince (daha yüksek kalibreli) olduğu bir tasarım uygulaması ile sonuçlanabilir.

Bileşenlerin (konnektörler, kapasitörler, kablolar ve baralar) boyutları küçüldükçe hem yerden hem de maliyetten tasarruf edilebilir ve yer açıldıkça sistem tasarımcılarına daha fazla tasarım seçeneği sunulur.

Raf düzeyinde, bu avantajlar katlanarak artar. 48 V raf içi güç dağıtım modeli (12 V raf tipi güç dağıtımına benzer), dağıtılmış Düz Akım (DC) UPS uygulama fırsatı sağlar ve hacimli olmasının yanı sıra esnek olmayan ve bakımı zor olan hantal tesis düzeyinde Alternatif Akım (AC) UPS ihtiyacını ortadan kaldırır.  Buna karşılık, dağıtılmış DC UPS, modern lityum tabanlı pil teknolojileriyle birleştiğinde daha kompakt ve hafif olmanın yanı sıra kolay bakım imkanı sunar.  Ayrıca kullandıkça öde özelliğini etkinleştirme, yani ek kapasiteye ihtiyaç duyulduğunda dinamik olarak kapasite ekleme gibi ek bir avantajı da vardır.

Hala 12 voltluk bir dünyadayız

48 V verimliliklere olan ilgiden bağımsız olarak günümüzün 12 V sunucu anakartları 20 yıldan uzun bir süredir piyasada. On iki voltluk altyapı bir metadır; günümüzde dünya genelinde çok büyük bir hacimde mevcuttur ve günümüzün 12 V tedarik zinciri optimize edilmiştir. Bu nedenle, daha yüksek gerilime dönüşüm, altyapı genelinde her yerde olmayacaktır. Örneğin günümüz depolama pazarındaki çok çeşitli kanıtlanmış seçeneklerden yararlanmak için sabit sürücüler hala 12 V olacaktır, bu nedenle ana akım sunucu tasarımları, öngörülebilir gelecekte 12 V güç kullanmaya devam edecektir. Ancak işleme gücüne olan doyumsuz talep nedeniyle, yapay zeka ve makine öğrenimi alanlarında halihazırda gördüğümüz gibi daha yüksek gerilimli kartuşların ve anakartların daha fazla benimsenmesi beklenebilir.

Tamamen açık olmak gerekirse ana akım anakart veya işlemci paketi uygulamaları için uygun (yani, yüksek yoğunluklu, verimli ve maliyet açısından optimize edilmiş) 48 V gerilim regülatörü çözümleri hala sınırlıdır.  Ancak önde gelen güç yönetimi yarı iletken tedarikçileri, güç dönüştürme endüstrisi ile birlikte bunun üzerinde yoğun bir şekilde çalışıyor ve önümüzdeki yıllarda daha uygulanabilir çözümlerin kullanıma sunulması bekleniyor.  İşlemci ve paketleme teknolojilerindeki gelişmeler, işlemci silikonunda ve/veya paket alt tabakasında yüksek gerilimli dönüşüm oranına sahip son aşama dönüşümünün gerçekleşebileceği ve daha yüksek gerilimin doğrudan bunları besleyebileceği bir çağın habercisi olabilir.

Sonuç

Veri merkezleri için en büyük zorluklardan biri, güç verimliliğindeki iyileştirmedir. Pek çok durumda daha fazla verimlilik arayışı; enerji ve ilgili işletme maliyetinden tasarruf etmeye ve bunu yaparken toplam sahip olma maliyetinden (TCO) azaltmaya dayanır. Bu nedenle, daha fazla güç kullanımına duyulan ihtiyaç, mümkün olan en yüksek verimlilik seviyelerini elde etmeyi çok daha önemli hale getirir.  

Dell EMC, en karmaşık ve ilginç makine öğrenimi sorunlarından bazılarının çözülmesine yardımcı olmak için geniş bir müşteri yelpazesiyle çalışır. Extreme Scale Infrastructure (Aşırı Ölçekli Altyapı) (ESI) grubu, müşterilerimizin işleme kapasitesine yönelik hız kesmeden taleplerini verimli bir şekilde karşılamalarına yardımcı olabilmemiz için en son güç teknolojilerine ayak uydurmaya ve bunları mantıklı olan yerlerde uygulamaya kararlıdır.

Dell EMC Extreme Scale Infrastructure (Aşırı Ölçekli Altyapı) grubunun güç teknolojileriyle neler yaptığı hakkında daha fazla bilgi için ESI@dell.com ile iletişime geçin.

Yok

Yok