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(shù)(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(shù)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(zhuǎn)換效率。

將英特爾電源匯流排技術(shù)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(chǎn)品測試結(jié)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(nèi)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(guān),其關(guān)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(guān)系,電流增加1倍,損耗增加3倍。這些功率損耗還會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)(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(shù)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(chǎn)加工工藝技術(shù)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(shù)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(shù)開發(fā)與驗證,確保了新技術(shù)變更下的產(chǎn)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(shù)

英特爾與中國服務廠商烽火超微合作,將電源匯流排技術(shù)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(shù)的主板CPU插座背面如下圖(右側(cè))所示:

經(jīng)過聯(lián)合開發(fā),烽火超微依據(jù)服務器量產(chǎn)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(jié)果顯示這項技術(shù)是完全滿足量產(chǎn)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(nèi))

• 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(shù)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(nèi)存:DDR5 4800 32GB × 16 條

硬盤:16TB HDD × 3

網(wǎng)卡:I350

RAID卡:LSI 9460-8i

測試結(jié)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(shù)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)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(shù)帶來的節(jié)能效果越可觀。

電源匯流排技術(shù)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(jīng)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(shù)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(nèi)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(shù)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(shù)的過程中,英特爾本地技術(shù)支持團隊與烽火超微團隊緊密合作,進行了多次深度技術(shù)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(shù)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(shù)改動對CPU端結(jié)構(gòu)部分的設計風險,確保符合量產(chǎn)的質(zhì)量需求。

由于生產(chǎn)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(shù)支持。經(jīng)過多次技術(shù)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(shù)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(shù)的平臺進行了從電源、散熱、電磁兼容、生產(chǎn)等方面的多維測試。結(jié)果顯示,通過電源匯流排技術(shù),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(shù)的產(chǎn)品平臺完全滿足量產(chǎn)測試標準,可以進行規(guī)模化生產(chǎn)與推廣。新的節(jié)能技術(shù)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(chǎn)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(guān)于烽火超微

烽火超微致力于為客戶提供“可端到端定制化、快速交付響應、可信賴的質(zhì)量保障”三大價值,面向廣闊的智能計算市場,烽火超微將進一步完善和拓展信息技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局,堅持“開源、開放、共享、共贏”的理念,和行業(yè)合作伙伴一起,共同打造一個完整的ICT生態(tài)環(huán)境,幫助客戶在產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)運營、客戶管理、供應鏈管理等環(huán)節(jié)加速數(shù)字化進程,促進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)于英特爾

英特爾(NASDAQ: INTC)作為行業(yè)引領(lǐng)者,創(chuàng)造改變世界的技術(shù),推動全球進步并讓生活豐富多彩。在摩爾定律的啟迪下,我們不斷致力于推進半導體設計與制造,幫助我們的客戶應對最重大的挑戰(zhàn)。通過將智能融入云、網(wǎng)絡、邊緣和各種計算設備,我們釋放數(shù)據(jù)潛能,助力商業(yè)和社會變得更美好。

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