Йти в ногу з енергоефективністю

Машинне навчання та штучний інтелект відіграватимуть велику роль у цій сфері. У свою чергу, поштовх до більших можливостей обробки також посилився, що призвело до все більш потужних можливостей CPU і, зокрема, призвело до нещодавнього сплеску використання технологій прискорювачів (GPU, FPGA) для забезпечення надвисокошвидкісних можливостей паралельної обробки, необхідних для додатків штучного інтелекту з інтенсивними обчисленнями.

Ці передові технології штучного інтелекту та інші зростаючі потреби в обчисленнях вимагають нової архітектури живлення для ефективного забезпечення більших обчислювальних можливостей, і хоча ця можливість перепроектування дає кілька переваг, це не проста проблема для вирішення.

Проблема з електроенергією

Поштовх до більш високих можливостей обробки приносить із собою важливу проблему проектування системи, пов'язану з постачанням електроенергії.  Більш тонка геометрія виробництва сучасних процесорів (менше 10 нм) дозволяє швидше перемикати живлення, що призводить до меншої затримки та меншої затримки, що, у свою чергу, вимагає нижчої напруги - нижче 1 вольта (В) - для керування обробкою.  Але, дотримуючись закону Ома (P = V * I), якщо потужність (P) зростає, а напруга (V) нижче, то струм (I) повинен збільшуватися. Це стає проблемою, оскільки подача більшого струму на кристал або «пакет» процесора вимагає використання більшої кількості контактів розеток для передачі більшого струму - контактів сокетів, які в іншому випадку могли б використовуватися для забезпечення більшої функціональності системи (тобто вводу/виводу, управління системою). Наприклад, конструкції System on a Chip (SoC) надають більше функціональності самому чіпу, тому тоді постає питання: як ефективно забезпечити більшу потужність, не втрачаючи потенційної функціональності. Це важливо, тому що в масштабі навіть невеликі прирости в ефективності стають значними; один ват на сервер для 100 тисяч серверів може заощадити сотні тисяч доларів протягом життєвого циклу цих серверів.

Рішення підвищеної напруги

Одним із рішень, яке сьогодні знаходить визнання в галузі, є подача підвищеної напруги (наприклад, 48 В) на сервер. На саміті Open Compute Project (OCP) 2016 року компанія Google оголосила про ініціативу просування 48-вольтових серверів і розподільчої інфраструктури як стандарту для центрів обробки даних. Дана модель передбачає ряд змін в архітектурі доставки (описаних нижче), які можуть надати наступні переваги:

• Більше потужності процесора (без зменшення контактів і розмірів роз'ємів і роз'ємів)
• Менші втрати енергії при перетворенні енергії (менша кількість, ефективніше перетворення)
• Менше скупченості на конструкції материнської плати (менше шарів живлення та ділянок слідування)
• Менші кабелі, з'єднувачі та шини
• Нижчі втрати при розподілі електроенергії
• Вищі межі потужності порівняно зі стійками 12 В

Вибір на користь мережі 48 В був зроблений тому, що вона не вимагає особливих обмежень безпеки. Все, що перевищує 60 В, вважається «високою напругою» і потребує додаткової захисної ізоляції. Так, при використанні закону Ома 48 В забезпечує чотирикратне зниження сили струму, але все одно залишає запас міцності.

Слід зазначити, що сервери 48 В колись рекламувалися Intel наприкінці 1990-х років, але потім програли конструкціям серверів 12 В через обмежену щільність регулятора напруги та ефективність перетворення енергії тієї епохи, а також вищу вартість компонентів.

Подача електроенергії

Щоб зрозуміти переваги моделі живлення на 48 В, варто спочатку зрозуміти, як сьогодні доставляється електроенергія. Сьогодні енергетична компанія зазвичай подає змінний струм (AC) від 220 В до 240 В, який, у свою чергу, перетворюється блоком живлення системи (PSU) на 12 В. Він перетворюється знову ж таки в стабілізаторі напруги, розташованому на материнській платі системи, з 12В на 1,7В (ми використовуємо приклад реалізації Intel). Ця лінія напругою 1,7 В приблизно вдвічі перевищує напругу, необхідну процесору для зменшення струму, що подається від материнської плати, тому для подачі живлення на підкладку процесора можна використовувати менше контактів. Але потужність повинна бути знову перетворена на кристалі та підкладці, щоб досягти рівня менше одного вольта, необхідного для процесора. 

Неефективність втрат у розподілі електроенергії

На кожному етапі перетворення втрачається певний рівень потужності/енергії. Було підраховано, що загальна енергоефективність сучасних традиційних центрів обробки даних (від комунальних послуг до процесорів і систем охолодження) зазвичай знаходиться в діапазоні близько 80%, хоча неефективність сучасних блоків живлення (PSU) і бортових стабілізаторів напруги (VR) вже значно перевищує 90%.  Крім того, ця енергія втрачається у вигляді тепла, що призводить до того, що центрам обробки даних потрібно витрачати ще більше енергії (і витрат) на охолодження цих високопродуктивних систем. Підвищення енергоефективності (виключення втрат енергії) в кінцевому підсумку дозволяє дата-центрам економити на охолодженні. Навіть підвищення ефективності на один відсотковий пункт несе значні фінансові та екологічні вигоди.

Втрати в електричному розподілі є функцією квадрата струму (Power = I2R).  Отже, зменшення величини струму (I) через певний опір (R) впливає на величину втрат.  Зменшення струму може бути досягнуто за рахунок збільшення напруги (закон Ома), тим самим підігріваючи більший інтерес до моделі 48 В.

Нові підходи до постачання електроенергії

На даний момент ефективна подача енергії на високопотужні процесори залишається динамічною областю; Використовуються різні підходи. Два таких підходи і переваги кожного описані нижче.

Одним із підходів до забезпечення більшої ефективності була подача 48 вольт безпосередньо на підкладку процесорного пакета, а потім перетворення на суб 1 В на підкладці. Такий підхід виключає один етап перетворення (підвищення ККД) і дозволяє подавати малий струм на підкладку (збільшуючи доступність контактів).  Однак, враховуючи дуже обмежений простір на підкладці упаковки, перетворювач потужності з 48 В на субодин вольт повинен мати високу щільність і низький профіль, тому реалізація цієї технології все ще складна і дорога.

Інший підхід полягав у тому, щоб доставити 48 вольт на материнську плату.  У цей момент регулятор напруги перетворює його на напругу менше одного (наприклад, 0,85 В), а потім подає його безпосередньо на процесор.  Цей підхід також виключає одне перетворення (збільшуючи ККД), але повинен подавати більший струм на підкладку, що не дозволяє економити кількість контактів подачі живлення. Цей підхід більш поширений, оскільки він менш складний і менш дорогий, ніж модель прямої поставки.

Інші переваги

Деякі інші переваги також можна отримати від переходу на модель на 48 В. Оскільки шина 48 В пропускає в 4 рази менший струм, ніж шина 12 В, вона потенційно може заощадити в 16 разів (I2) втрати в розподілі електроенергії, якщо та сама шина використовується для розподілу живлення в стійці.  Це може призвести до того, що кабелі (або шини) будуть тоншими (більшого калібру), оскільки вони проводять менший струм.

Можна заощадити як простір, так і витрати, оскільки компоненти (роз'єми, конденсатори, кабелі та шини) зменшуються в розмірах, а в міру звільнення простору розробникам систем стає доступно більше варіантів дизайну.

На рівні стелажа ці переваги багаторазово зростають. Модель розподілу живлення в стійці 48 В (аналогічна розподілу живлення на рівні стійки 12 В) надає можливість реалізувати розподілені ДБЖ постійного струму (DC) і усуває потребу в громіздких ДБЖ змінного струму (AC) на рівні об'єкта, які, крім того, що об'ємні, є негнучкими та складними в обслуговуванні.  Навпаки, розподілений ДБЖ постійного струму в поєднанні з сучасними технологіями акумуляторів на основі літію є більш компактним, легким і простим в обслуговуванні.  Крім того, його перевага полягає в тому, що він забезпечує можливість оплати за фактом використання - тобто динамічного збільшення потужності в будь-який час, коли потрібна додаткова ємність.

Це все ще 12-вольтовий світ

Незалежно від інтересу до ефективності 48 В, сьогоднішні серверні материнські плати на 12 В існують вже 20+ років. Дванадцятивольтова інфраструктура є товаром - вона існує у величезному обсязі сьогодні у світі - і сьогоднішній ланцюжок поставок 12 В оптимізований. Таким чином, перехід на більш високу напругу не буде повсюдним по всій інфраструктурі. Наприклад, жорсткі диски, як і раніше, матимуть напругу 12 В, щоб скористатися широким спектром перевірених варіантів на сучасному ринку зберігання даних, тому основні конструкції серверів продовжуватимуть включати живлення 12 В у найближчому майбутньому. Але з ненаситною жагою до обчислювальної потужності можна очікувати більшого впровадження картриджів і материнських плат з більш високою напругою, як ми вже бачимо в областях штучного інтелекту та машинного навчання.

Щоб бути абсолютно зрозумілим, рішення регуляторів напруги 48 В, які підходять для основних додатків материнських плат або процесорів (тобто з високою щільністю, ефективністю та оптимізованими за вартістю), все ще обмежені.  Але провідні постачальники напівпровідників для управління живленням разом з індустрією перетворення енергії інтенсивно працюють над цим, і очікується, що в найближчі роки стануть доступними більш життєздатні рішення.  Прогрес у технологіях процесорів та упаковки може відкрити еру, коли перетворення на останньому етапі з високим коефіцієнтом перетворення напруги може відбуватися в процесорному кремнії та/або на його підкладці упаковки, а вища напруга може безпосередньо подаватися на них.

Висновок

Одним із найбільших викликів для дата-центрів є підвищення енергоефективності. У дуже багатьох випадках прагнення до більшої ефективності зводиться до економії енергії та пов'язаних з нею експлуатаційних витрат, а тим самим до економії загальної вартості володіння (TCO). Таким чином, потреба в ще більшому споживанні енергії робить набагато важливішим досягнення найвищого можливого рівня ефективності.  

Dell EMC працює з широким колом клієнтів, допомагаючи вирішувати деякі з найскладніших і найцікавіших проблем машинного навчання. Група Extreme Scale Infrastructure (ESI) прагне бути в курсі новітніх енергетичних технологій і застосовувати їх там, де це доцільно, щоб ми могли допомогти нашим клієнтам ефективно задовольняти їх незмінний попит на обчислювальні потужності.

Для отримання додаткової інформації про те, що Dell EMC Extreme Scale Infrastructure робить з енергетичними технологіями, зв'яжіться з ESI@dell.com.

Н/Д

Н/Д