导言
跟着数据量的增长和云计算等需求的晋升,办事器耗电量出现日益上升的趋势,CPU的功耗也越来越高。Intel Purley办事器平台CPU的TDP(Thermal Design Power,热功耗)最高为205W,到了最新宣布的Eagle Stream平台,单颗CPU的TDP增长至350W。跟着功耗的增长,损耗也水涨船高,若何实现低能源损耗的主板设计就成为了一个重要的课题。
英特尔电源汇流排技巧(Power Corridor Solution)就是为了应对这种挑衅而提出的立异,该项专利技巧可以大年夜幅降低办事器主板在CPU供电部分的传输损耗,并知足电源机能请求,进步了办事器的能源转换效力。
将英特尔电源汇流排技巧应用在大年夜范围数据中间可以获得可不雅的电费节俭,做到绿色低碳,节能减排。根据英特尔与烽火超微合作的产品测试成果,对于一个拥有20万台双路EGS平台办事器的数据中间,设备 TDP为350W的CPU,在电费成本0.12美元的前提下,五年内可以节俭最高900万美元的电费。
大年夜电流带来的损耗挑衅
CPU功耗的增长会给办事器主板带来硬件上的设计挑衅。高功耗的CPU须要主板电源线路承载更大年夜的电流。电能在传输中的功率损掉(P)与电流(I)、电阻(R)相干,其关系为物理公式:
由公式可见,电流增长导致的损耗增长是平方关系,电流增长1倍,损耗增长3倍。这些功率损耗还会转化为废热,增长办事器的散热负荷。
主板设计能做的是尽量降低电源供电传输路径上的阻抗,以知足高功耗CPU的机能请求。这里的传输路径阻抗指的是从给CPU供电的主电源Vccin的电源转换控制器VR(Voltage Regulator)的输出,到CPU 插槽(Socket)端的电源传输路径阻抗Rpath,包含印刷电路板、封装和插槽部分。
缩短导体长度、增长导体截面积可以降低阻抗。主板设计中降低供电传输路径阻抗的传统解决办法是增长印刷电路板(PCB)叠层或铺更厚的铜,以增长电源层导体的总截面积。但这种筹划会带来成本上的大年夜幅上升,譬如PCB从12层变革为14层,会增长成本 20%阁下。
英特尔电源汇流排技巧并不增长PCB叠层,而是在主板后头增长额外的供电铜排来实现的,如下图所示:
这个筹划的技巧难点重要有如下几点:
1. CPU背板的凹槽更改带来的CPU插座端的机能影响评估,如强度等;
2. 主板上PCB布线的修改;
3. 临盆加工工艺技巧对良率的影响,譬如汇流排焊接空泡率的控制等。
电源汇流排技巧的实施须要生态链厂商的大年夜力合营。英特尔结合供给链生态伙伴合营开展技巧开辟与验证,确保了新技巧变革下的产品指标知足需求,如汇流条在焊接后的空泡率等达到设计目标等。
英特尔与中国办事厂商烽火超微合作,将电源汇流排技巧应用到了的后者基于英特尔Eagle Stream平台的项目中。烽火超微应用电源汇流排技巧的主板CPU插座后头如下图(右侧)所示:
烽火超微积极导入新技巧
经由结合开辟,烽火超微根据办事度量产的所有测试标准,全方位、体系性地评估了这个筹划的可行性,测试成果显示这项技巧是完全知足量产标准的。具体评测项目包含:
? CPU电源机能测试和仿真分析
?传输路径阻抗Rpath和效力比较测试
?体系散热测试
?CPU功耗测试比较
?SPECpower测试
?热冲击测试
?冲击和振动测试
?渗入渗出染红测试
?空泡率测试(汇流排的焊接空泡率期望控制在5%以内)
?电磁兼容EMC测试
?CPU背板和垫板靠得住性评估
作为试点应用电源汇流排技巧的参考筹划,烽火超微Eagle Stream平台办事器设备如下:
?当所有CPU均运行在80% 负载下,每台节约7W功耗,累计可以节俭约616万美元。
体系:FitServer R2280 V7机架式办事器
处理器:英特尔 至强 Platinum 8458P 处理器(TDP 350W) × 2路
内存:DDR5 4800 32GB × 16 条
硬盘:16TB HDD × 3
网卡:I350
RAID卡:LSI 9460-8i
测试成果显示,对于设备了350W TDP CPU的英特尔Eagle Stream平台两路办事器体系,应用英特尔电源汇流排技巧可以在CPU 满载压力下的体系机能有如下直接晋升:
?约10W的整机功耗节俭。
?CPU处理器供电传输路径阻抗在remote sense 点降低24%,在远端降低31%。
?电源转换控制器VR效力额外晋升0.7%。
?SPECpower在满载时的测试分数进步1%,优化了体系能效比。
?CPU插座底部邻近温度最高降低4℃。
P=I2R
开辟团队也进行了电源仿真分析,成果和实测数据根本吻合。
该技巧给原有主板设计带来的修改影响很小,只须要将必定厚度(0.8mm)的铜排,用外面贴装技巧(SMT)组装到主板上即可。响应的,CPU的背板须要切割出相当于铜排大年夜小的凹槽,以容纳凸起于主板外面的铜排。铜排与背板凹槽接触的一面覆盖绝缘漆,另一面与主板上的供电路径焊接在一路,即可实现电流导通才能的晋升。
电源汇流排技巧除了直接晋升了能效,还间接晋升了体系稳定性和平台的进级潜力。譬如,从降低CPU插座底部温度看,一方面是因为阻抗减小使得损耗废热随之削减,另一方面,铜排本身也供给了导热和散热功能。这使得办事器主板以及元器件能将热量均衡快速的释放到外部,包管体系加倍稳定运行。面向将来处理器的成长,原有主板可以额外支撑更高功耗的CPU而不须要经由过程增长PCB电源叠层或者增厚铜箔。
大小靡遗,涓流汇海
根据行业经验,数据中间约有70%运行成本来自电价。数据中间办事器数量浩瀚,在宏大年夜基数下,单台办事器数瓦的能效差别也会在经久运行中累积为巨大年夜的数字。
假设一个数据中间,安排了20万台前述设备的Eagle Stream平台两路办事器,电价为0.12美元,在持续运营5年后,电源汇流排技巧可以节俭若干电费呢?
假如按满负荷下的能耗计算,如斯范围的数据中间5年内节俭电费最高可达931万美元。
推敲到实际不合营业场下CPU应用率不合,数据中间需求也有峰谷差别,可以假设更多的场景。
?假如只有50%的办事器满载,累计可以节俭406万美元以上。
?即使是一个营业量异常不饱和的营业中间,所有CPU均只运行在50%负载下,也可以节俭约195万美元的电费。
?假如只有80%的办事器满载,累计可以节俭721万美元以上。
精诚合作,坚实落地
英特尔电源汇流排技巧是一种可以降低办事器主板CPU供电传输损耗的立异型设计。在低碳节能的理念之下,烽火超微将这个立异筹划积极导入到英特尔Eagle Stream办事器平台中。
在应用这项技巧的过程中,英特尔本地技巧支撑团队与烽火超微团队慎密合作,进行了多次深度技巧商量,合营肯定了筹划,实现了以最小修改的方法优化印刷电路板的布板设计,确保了新技巧和原有主板的优胜兼容性设计。同时,英特尔美国团队也积极介入评估了这项技巧修改对CPU端构造部分的设计风险,确保相符量产的质量需求。
对于CPU非满载下的工况,应用电源汇流排技巧的样机也有不错的节能后果。如80% TDP负载时,整机能耗依然可以节俭多达7W。在50% TDP负载下,整机能耗可节俭3W。多种功耗下的测试数据注解,CPU功耗越高,电源汇流排技巧带来的节能后果越可不雅。
因为临盆工艺相对传统设计具有必定差别性,英特尔还结合供给链生态伙伴为客户供给全方位的技巧支撑。经由多次技巧沟通和推动,连接器厂商安费诺Amphenol和立讯Luxshare均可以供给主板后头的铜排;嘉泽Lotes供给修改后的CPU背板;汉源Solderwell供给主板和铜排焊接接触时所须要的固体锡片。这些厂商的积极介入使得这项技巧敏捷落地。
严格考验,助力绿色节能
在体系验证阶段,烽火超微对应用英特尔电源汇流排技巧的平台进行了从电源、散热、电磁兼容、临盆等方面的多维测试。成果显示,经由过程电源汇流排技巧,可以使得体系损耗降低约10W,CPU供电传输路径阻抗降低24%,总体效力在传统电源筹划基本之上晋升0.7%。并且,应用新技巧的产品平台完全知足量产测试标准,可以进行范围化临盆与推广。新的节能技巧晋升了烽火超微EGS平台办事器的竞争力,从节能降本、晋升稳定性、扩大进级潜力方面为客户供给更多的价值。
面向数据中间的低能耗办事器设计是重要的开辟偏向,可以更好知足大年夜范围数据中间的安排须要,相符国度双碳计谋,促进家当链全生命周期的节能减排,助力行业绿色节能成长。
关于烽火超微
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关于英特尔
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