導言
隨著數(shù)據(jù)量的增長和云計算等需求的提升,服務器耗電量呈現(xiàn)日益上升的趨勢,CPU的功耗也越來越高。Intel Purley服務器平臺CPU的TDP(Thermal Design Power,熱功耗)最高為205W,到了最新發(fā)布的Eagle Stream平臺,單顆CPU的TDP增加至350W。隨著功耗的增加,損耗也水漲船高,如何實現(xiàn)低能源損耗的主板設計就成為了一個重要的課題。
英特爾電源匯流排技術(Power Corridor Solution)就是為了應對這種挑戰(zhàn)而提出的創(chuàng)新,該項專利技術可以大幅降低服務器主板在CPU供電部分的傳輸損耗,并滿足電源性能要求,提高了服務器的能源轉換效率。
將英特爾電源匯流排技術應用在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可以獲得可觀的電費節(jié)省,做到綠色低碳,節(jié)能減排。根據(jù)英特爾與烽火超微合作的產品測試結果,對于一個擁有20萬臺雙路EGS平臺服務器的數(shù)據(jù)中心,配置 TDP為350W的CPU,在電費成本0.12美元的條件下,五年內可以節(jié)省最高900萬美元的電費。
大電流帶來的損耗挑戰(zhàn)
CPU功耗的增加會給服務器主板帶來硬件上的設計挑戰(zhàn)。高功耗的CPU需要主板電源線路承載更大的電流。電能在傳輸中的功率損失(P)與電流(I)、電阻(R)相關,其關系為物理公式:
P=I2R
由公式可見,電流增加導致的損耗增加是平方關系,電流增加1倍,損耗增加3倍。這些功率損耗還會轉化為廢熱,增加服務器的散熱負荷。
主板設計能做的是盡量降低電源供電傳輸路徑上的阻抗,以滿足高功耗CPU的性能要求。這里的傳輸路徑阻抗指的是從給CPU供電的主電源Vccin的電源轉換控制器VR(Voltage Regulator)的輸出,到CPU 插槽(Socket)端的電源傳輸路徑阻抗Rpath,包含印刷電路板、封裝和插槽部分。
縮短導體長度、增加導體截面積可以降低阻抗。主板設計中降低供電傳輸路徑阻抗的傳統(tǒng)解決方法是增加印刷電路板(PCB)疊層或鋪更厚的銅,以增加電源層導體的總截面積。但這種方案會帶來成本上的大幅上升,譬如PCB從12層變更為14層,會增加成本 20%左右。
英特爾電源匯流排技術并不增加PCB疊層,而是在主板背面增加額外的供電銅排來實現(xiàn)的,如下圖所示:
該技術給原有主板設計帶來的改動影響很小,只需要將一定厚度(0.8mm)的銅排,用表面貼裝技術(SMT)組裝到主板上即可。相應的,CPU的背板需要切割出相當于銅排大小的凹槽,以容納凸起于主板表面的銅排。銅排與背板凹槽接觸的一面覆蓋絕緣漆,另一面與主板上的供電路徑焊接在一起,即可實現(xiàn)電流導通能力的提升。
這個方案的技術難點主要有如下幾點:
1. CPU背板的凹槽變動帶來的CPU插座端的性能影響評估,如強度等;
2. 主板上PCB布線的改動;
3. 生產加工工藝技術對良率的影響,譬如匯流排焊接空泡率的控制等。
電源匯流排技術的實施需要生態(tài)鏈廠商的大力配合。英特爾聯(lián)合供應鏈生態(tài)伙伴共同開展技術開發(fā)與驗證,確保了新技術變更下的產品指標滿足需求,如匯流條在焊接后的空泡率等達到設計目標等。
烽火超微積極導入新技術
英特爾與中國服務廠商烽火超微合作,將電源匯流排技術應用到了的后者基于英特爾Eagle Stream平臺的項目中。烽火超微應用電源匯流排技術的主板CPU插座背面如下圖(右側)所示:
經過聯(lián)合開發(fā),烽火超微依據(jù)服務器量產的所有測試標準,全方位、系統(tǒng)性地評估了這個方案的可行性,測試結果顯示這項技術是完全滿足量產標準的。具體評測項目包括:
• CPU電源性能測試和仿真分析
• 傳輸路徑阻抗Rpath和效率對比測試
• 系統(tǒng)散熱測試
• CPU功耗測試對比
• SPECpower測試
• 熱沖擊測試
• 沖擊和振動測試
• 滲透染紅測試
• 空泡率測試(匯流排的焊接空泡率期望控制在5%以內)
• 電磁兼容EMC測試
• CPU背板和墊板可靠性評估
作為試點應用電源匯流排技術的參考方案,烽火超微Eagle Stream平臺服務器配置如下:
系統(tǒng):FitServer R2280 V7機架式服務器
處理器:英特爾® 至強® Platinum 8458P 處理器(TDP 350W) × 2路
內存:DDR5 4800 32GB × 16 條
硬盤:16TB HDD × 3
網卡:I350
RAID卡:LSI 9460-8i
測試結果顯示,對于配置了350W TDP CPU的英特爾Eagle Stream平臺兩路服務器系統(tǒng),使用英特爾電源匯流排技術可以在CPU 滿載壓力下的系統(tǒng)性能有如下直接提升:
• 約10W的整機功耗節(jié)省。
• CPU處理器供電傳輸路徑阻抗在remote sense 點降低24%,在遠端降低31%。
• 電源轉換控制器VR效率額外提升0.7%。
• SPECpower在滿載時的測試分數(shù)提高1%,優(yōu)化了系統(tǒng)能效比。
• CPU插座底部附近溫度最高降低4℃。
開發(fā)團隊也進行了電源仿真分析,結果和實測數(shù)據(jù)基本吻合。
對于CPU非滿載下的工況,應用電源匯流排技術的樣機也有不錯的節(jié)能效果。如80% TDP負載時,整機能耗依然可以節(jié)省多達7W。在50% TDP負載下,整機能耗可節(jié)省3W。多種功耗下的測試數(shù)據(jù)表明,CPU功耗越高,電源匯流排技術帶來的節(jié)能效果越可觀。
電源匯流排技術除了直接提升了能效,還間接提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和平臺的升級潛力。譬如,從降低CPU插座底部溫度看,一方面是由于阻抗減小使得損耗廢熱隨之減少,另一方面,銅排本身也提供了導熱和散熱功能。這使得服務器主板以及元器件能將熱量均衡快速的釋放到外部,保證系統(tǒng)更加穩(wěn)定運行。面向未來處理器的發(fā)展,原有主板可以額外支持更高功耗的CPU而不需要通過增加PCB電源疊層或者增厚銅箔。
巨細靡遺,涓流匯海
根據(jù)行業(yè)經驗,數(shù)據(jù)中心約有70%運行成本來自電價。數(shù)據(jù)中心服務器數(shù)量眾多,在龐大基數(shù)下,單臺服務器數(shù)瓦的能效差異也會在長期運行中累積為巨大的數(shù)字。
假設一個數(shù)據(jù)中心,部署了20萬臺前述配置的Eagle Stream平臺兩路服務器,電價為0.12美元,在連續(xù)運營5年后,電源匯流排技術可以節(jié)省多少電費呢?
如果按滿負荷下的能耗計算,如此規(guī)模的數(shù)據(jù)中心5年內節(jié)省電費最高可達931萬美元。
考慮到實際不同業(yè)務場下CPU利用率不同,數(shù)據(jù)中心需求也有峰谷差異,可以假設更多的場景。
• 當所有CPU均運行在80% 負載下,每臺節(jié)約7W功耗,累計可以節(jié)省約616萬美元。
• 如果只有80%的服務器滿載,累計可以節(jié)省721萬美元以上。
• 如果只有50%的服務器滿載,累計可以節(jié)省406萬美元以上。
• 即使是一個業(yè)務量非常不飽和的業(yè)務中心,所有CPU均只運行在50%負載下,也可以節(jié)省約195萬美元的電費。
精誠合作,堅實落地
英特爾電源匯流排技術是一種可以降低服務器主板CPU供電傳輸損耗的創(chuàng)新型設計。在低碳節(jié)能的理念之下,烽火超微將這個創(chuàng)新方案積極導入到英特爾Eagle Stream服務器平臺中。
在應用這項技術的過程中,英特爾本地技術支持團隊與烽火超微團隊緊密合作,進行了多次深度技術探討,共同確定了方案,實現(xiàn)了以最小改動的方式優(yōu)化印刷電路板的布板設計,確保了新技術和原有主板的良好兼容性設計。同時,英特爾美國團隊也積極參與評估了這項技術改動對CPU端結構部分的設計風險,確保符合量產的質量需求。
由于生產工藝相對傳統(tǒng)設計具有一定差異性,英特爾還聯(lián)合供應鏈生態(tài)伙伴為客戶提供全方位的技術支持。經過多次技術溝通和推動,連接器廠商安費諾Amphenol和立訊Luxshare均可以提供主板背面的銅排;嘉澤Lotes提供改動后的CPU背板;漢源Solderwell提供主板和銅排焊接接觸時所需要的固體錫片。這些廠商的積極參與使得這項技術迅速落地。
嚴格考驗,助力綠色節(jié)能
在系統(tǒng)驗證階段,烽火超微對應用英特爾電源匯流排技術的平臺進行了從電源、散熱、電磁兼容、生產等方面的多維測試。結果顯示,通過電源匯流排技術,可以使得系統(tǒng)損耗降低約10W,CPU供電傳輸路徑阻抗降低24%,總體效率在傳統(tǒng)電源方案基礎之上提升0.7%。而且,應用新技術的產品平臺完全滿足量產測試標準,可以進行規(guī)模化生產與推廣。新的節(jié)能技術提升了烽火超微EGS平臺服務器的競爭力,從節(jié)能降本、提升穩(wěn)定性、擴展升級潛力方面為客戶提供更多的價值。
面向數(shù)據(jù)中心的低能耗服務器設計是重要的開發(fā)方向,可以更好滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的部署需要,符合國家雙碳戰(zhàn)略,促進產業(yè)鏈全生命周期的節(jié)能減排,助力行業(yè)綠色節(jié)能發(fā)展。
關于烽火超微
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