يتم تحديد متطلبات تشغيل خادم حديث ، مثل ذلك الموجود في مركز البيانات ، إلى حد كبير من خلال قدرة الحوسبة لهذا الخادم. مع زيادة قدرة الخوادم ، تزداد أيضًا متطلبات الطاقة الخاصة بهم. تعد الكفاءة أمرًا بالغ الأهمية ، حيث إنها لا تقلل من نفقات التشغيل فحسب ، بل تتيح حلول طاقة أصغر مع كثافة طاقة محسّنة.
مع ارتفاع تكاليف رأس المال للمعدات والمساحة وتكاليف الطاقة المتزايدة ، فإن مكاسب الكفاءة المتزايدة لها تأثير كبير على مجموعات الخوادم ، حيث يتم نشر الآلاف من الخوادم في وقت واحد. تعمل الكفاءة المتزايدة أيضًا على تقليل الحمل على تكييف الهواء لتبريد المبنى ، مما يوفر رأس المال ونفقات التشغيل. في النهاية ، الهدف من أي حل للطاقة هو تقليل التكلفة الإجمالية لملكية النظام بأكمله وزيادة وظائف وأداء الخادم.
تقليديًا ، تحول حلول طاقة مركز البيانات جهد إمداد الشبكة الوارد إلى جهد كهربائي منخفض الجهد ثلاثي الأطوار يتم تحويله محليًا في خوادم مثبتة على حامل إلى 12 فولت تيار مستمر (الجهد المفضل للعديد من المكونات ، بما في ذلك اللوحات الأم والأجهزة الطرفية مثل محركات الأقراص الثابتة). ومع ذلك ، مع بعض خزانات الحامل مقاس 19 بوصة التي تتطلب الآن 30 كيلو وات ، فإن جهد التوزيع 12 فولت يمثل تحديات لتوزيع وتحويل الطاقة من محولات التيار المتردد / التيار المستمر المثبتة في حامل فرعي بعيد عن الخادم. التيار ، على سبيل المثال ، يمكن أن يصل إلى 2500 أمبير ، وهو بعيد عن أن يكون عمليًا بسبب تأثير فقدان الطاقة وانخفاض الجهد المرتبط بالتوصيلات داخل الخزانة ومنها.
استجابة لذلك ، في عام 2016 ، بدأ مشروع Open Compute (OCP) في التحرك نحو 48 فولت كمعيار للخوادم والتوزيع داخل مراكز البيانات. كان اختيار 48 فولت هو تقليل التيار بمعامل 4 (تقديم تخفيض بمقدار ستة عشر ضعفًا في I2خسائر R). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن اعتبار 48 فولت أكثر أمانًا مع الجهد المنخفض للغاية (ELV) أو الجهد المنخفض للغاية المنفصل (SELV) اعتمادًا على التأريض ، مما يعني أنه يمكن إزالة العزل من مسار الطاقة ، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة التبعية.
ينعكس التغيير إلى 48 فولت في مواصفات قاعدة الرف المفتوح ، الآن في الإصدار 3 (ORv3). إلى جانب اشتراطات التصميم الميكانيكي للرفوف ، تحدد هذه الوثيقة مواصفات الجهد لجهد الدخل (إما 51 VDC أو 54 VDC) بالإضافة إلى التصنيفات الحالية للمكونات الرئيسية والحاجة إلى استشعار الجهد. كما تحدد أن جهد الناقل يظل أقل من 60-VDC حد ELV.
في الوقت نفسه ، تلتزم العديد من مناطق الخوادم بشدة بـ 12 فولت – ليس أقلها اللوحات الأم وفتحات PCIe والذاكرة ومحركات الأقراص الثابتة. إن التصميمات الخاصة بـ 12 فولت مفهومة جيدًا وتم إنشاء سلاسل التوريد بالكامل. نتيجة لذلك ، ستستمر الحاجة إلى سكة 12 فولت داخل الخوادم الرئيسية في المستقبل المنظور.
توفير تحويل فعال من 48 فولت إلى 12 فولت
نظرًا لأن العديد من المعالجات الحديثة تتطلب ما يصل إلى 700-800 واط من الطاقة ، تميل العديد من حلول الطاقة للخوادم إلى أن تكون في منطقة 800-W إلى 1 kW ، مع 900 W التي تحظى بشعبية كبيرة. على وجه الحصر تقريبًا ، يستخدم التحويل 48-V إلى 12-V ما يسمى عامل الشكل المشتق من “الطوب”. تمت صياغة مصطلح “لبنة” منذ أكثر من 20 عامًا لوصف حزمة تثبيت ثنائي الفينيل متعدد الكلور بمساحة 4.6 × 2.4 بوصة تقريبًا.
مع تطور التكنولوجيا ، تطورت إصدارات أصغر من حزمة الطوب ، والمعروفة باسم الطوب الجزئي. تراوحت هذه من نصف لبنة إلى 1/16 لبنة ، على الرغم من أن نسب الحجم ليست دقيقة. نظرًا لأن هذه البصمات أصبحت معيارًا صناعيًا فعليًا ، يمكن لمهندسي تصميم الخادم تنفيذ حزم الطوب الموحدة بسهولة أثناء عملية التصميم ويمكن للمستخدمين الوصول إلى مصادر متعددة بسهولة نسبية ، مما يمنحهم ضمانًا للإمداد.
ومع ذلك ، مع القدرة على إشعاع الحرارة المرتبطة بالحجم المادي ، هناك كمية محدودة من الطاقة التي يمكن إزالتها من كل حجم من الطوب. هذا هو الآن العامل المحدد في مقدار الطاقة التي يمكن أن يوفرها كل عامل شكل لبنة جزئية لمستوى كفاءة معين. على سبيل المثال ، يمكننا أن نفترض أن ربع لبنة يمكن أن يبدد 25 واط ، والذي ، على سبيل المثال ، يتوافق مع جهاز 500 واط بكفاءة 95٪. زيادة خرج الطاقة إلى 900 واط مع نفس خسارة 25 واط يعني كفاءة 97.3٪.
اليوم ، نحن في نقطة انعطاف فيما يتعلق بالعلاقة بين الكفاءة والقوة ، مع تحول الزيادات في الكفاءة من علاقة متناسبة نسبيًا إلى علاقة أسية أكثر مع القوة. وبالتالي ، مع ارتفاع الكفاءة إلى 100٪ ، يؤدي كل تحسين تدريجي إلى تحسين أكثر أهمية في قدرة الطاقة.
تشتمل العديد من قوالب الطوب ذات 48 فولت على العزل نتيجة لاستخدامها في أنظمة الاتصالات. في هذه الطوب ، يكون لسكة الإدخال 48-V قطبية سالبة ، لذا فإن العزل الجلفاني مطلوب لعكس الإخراج للحصول على قطبية موجبة. بالنسبة لـ 48 VDC ، يكون جهد إمداد الخادم هو قطبية موجبة ؛ لذلك ، لا حاجة إلى الانعكاس والعزلة ، كما هو مذكور في مقترحات OCP. يمكن أن تؤدي إزالة متطلبات العزل إلى تحسن (تقريبي) بنسبة 0.3٪ في الكفاءة الكلية ، وبالتالي زيادة قدرة قدرة الطوب.
وبالمثل ، فإن إزالة تنظيم جهد الخرج من محول الطوب يمكن أن يؤدي إلى زيادة (تقريبية) 0.5٪ في الكفاءة. بالنظر إلى أن جهد الدخل 48-VDC منظم بإحكام نسبيًا ، فقد يفترض المرء أن هذا سيكون ميزة أخرى يمكن تحقيقها. بالنسبة لغالبية المكونات ، سيكون هذا صحيحًا ، لكن الذاكرة (DIMMs) وبطاقات PCIe تتطلب مصدرًا منظمًا بدرجة عالية 12 VDC ، لذلك يتم استخدام لبنة واحدة لوظيفة التحويل 48-V: 12-V ، وهي منظمة يبقى الإخراج إلى حد بعيد الخيار الأكثر منطقية وشعبية.
نظرًا لأن خوادم مركز البيانات أصبحت أكثر تعقيدًا ، تزداد أيضًا حلول الطاقة التي يعتمدون عليها. تتضمن العديد من الإمدادات الآن ناقل إدارة الطاقة (PMBus). تم تطوير هذا في الأصل من قبل العديد من الشركات ، بما في ذلك Artesyn Embedded Technologies (الآن جزء من Advanced Energy) ، كوسيلة قياسية للتواصل مع جهاز طاقة عبر ناقل اتصال رقمي ، مما يسمح لمعالج النظام بتكوين ومراقبة ومراقبة الفولتية والتيارات و درجات الحرارة.
هذا له فوائد كبيرة أثناء مرحلة التصميم ويمكن أن يكون ذا قيمة أثناء التشغيل للتأكد من أن النظام يعمل كما هو متوقع ، بالإضافة إلى إعطاء تحذير مبكر لأي أعطال وشيكة من خلال مراقبة وظيفة تحويل الطاقة من داخل وحدة الطاقة.
تعد المشاركة الحالية ميزة مهمة تسمح بدمج مخرجات العديد من الطوب لتوفير طاقة أعلى. تعد المشاركة السلبية (المعروفة أيضًا باسم “droop”) هي الطريقة الأبسط ، حيث إنها لا تتطلب ربط الطوب مع إشارة ناقل مشاركة حالية ، كما أنها محصنة نسبيًا من اندفاعات بدء التشغيل والعابرات الأخرى. ومع ذلك ، لديها قيود. والأكثر أهمية هو الحاجة إلى خاصية تنظيم حمل جهد الخرج الأكثر ليونة والتي ينتج عنها “تدلى” أكبر من 200 مللي فولت مطلوب لتمكين مشاركة الحمل بدقة بين الوحدات. هناك أيضًا حاجة إلى خاصية حد التيار القابل للطي ، حيث أن طريقة الحماية القياسية للتيار الزائد لوضع الفواق غير مناسبة في تطبيقات المشاركة الحالية. ونتيجة لذلك ، فإن المشاركة النشطة للتحكم وإجبار الوحدات على المشاركة بدقة هي الخيار المفضل للأجهزة المنظمة.
مثال على التكنولوجيا
أحد الأمثلة على محول الطوب الحديث المخصص للاستخدام في تطبيقات الخادم هو Artesyn NDQ900 من شركة Advanced Energy. توفر وحدة محول DC / DC غير المعزولة ربع الطوب هذه خرجًا واحدًا منخفض الضوضاء منظمًا يبلغ 12.25 فولت من نطاق إدخال من 40 إلى 60 فولت تيار مستمر عند مستويات طاقة مستمرة حتى 900 واط (73.7 أمبير).
يحقق التصميم عالي الكفاءة أعلى كفاءة تصل إلى 96.7٪ ، ومع اللوح الأساسي المدمج ، يمكن تبديد الحرارة عن طريق التبريد الملامس أو عن طريق المبدد الحراري المرفق مباشرة. يستفيد تردد التحويل الثابت من أداء EMI ويسمح بالترشيح البسيط عند الضرورة.
تتضمن الوحدة وظيفة PMBus المتقدمة للتكوين والتحكم والمراقبة ويمكن استخدام وحدات متعددة بالتوازي مع المشاركة الحالية النشطة المدمجة. يتم توفير مجموعة من وسائل الحماية القيمة ، بما في ذلك الجهد المنخفض للإدخال / الجهد الزائد ، والجهد الزائد الناتج / التيار الزائد ، ودرجة الحرارة الزائدة.
أتطلع قدما
يستمر سوق الخوادم في جميع أنحاء العالم في إظهار نمو قوي بمعدل نمو سنوي مركب بنسبة 17٪ من 2022 إلى 2027 ، وفقًا لتقرير توقعات تكنولوجيا المعلومات لمدة 5 سنوات لمركز بيانات Dell’Oro Group (يناير 2023). أكبر المستخدمين لديهم ما يزيد عن 3 ملايين خادم مثبت ، ومن المتوقع أن تصل بعض الشركات إلى أكثر من 10 ملايين خادم مثبت بحلول عام 2027. في الواقع ، تمثل الخوادم نسبة كبيرة جدًا من استخدام الطاقة على مستوى العالم ، ومن المتوقع أن تنمو حصتها من DC capex إلى 57٪ بحلول عام 2027.
يؤكد هذا الحجم الهائل لعمليات مركز البيانات العالمي على الفوائد الهائلة للمكاسب الصغيرة في الكفاءة ، مع توفير كل واط واحد من الطاقة في خسائر تحويل الطاقة التي لا تمثل فقط 1 وات أقل ليتم توفيرها ولكن أيضًا 1 وات أقل التي تتطلب التبريد عن طريق البيانات حلول التبريد المركزي.
يجب أن تستمر تقنية الطاقة في التقدم لجعل الخوادم مناسبة للمستقبل من حيث الكفاءة والحجم واستخدام الطاقة بشكل عام. يعد اختيار تقنية المحول أمرًا بالغ الأهمية لتحويل الحافلة الوسيطة الناشئة 48 فولت إلى 12 فولت التقليدية التي لا تزال مطلوبة. ستعالج الابتكارات الإضافية لتلك التي تمت مناقشتها في هذه المقالة المتطلبات المتزايدة الطلب في الخوادم الجديدة والناشئة.
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
