Eficienţa energetică este acum o cerinţă cheie în majoritatea aplicaţiilor de calcul. Creşterea masivă a utilizării centrelor de date de pe glob, responsabilă acum pentru a zecea parte din consumul energetic mondial, devine şi mai mare. Se ajunge în domenii cum ar fi telecomunicațiile, unde concepte precum reţele definite software au fost în aşteptare. De exemplu, trecerea către 5G va fi acompaniată de o trecere către utilizarea de arhitecturi de staţii de bază mult mai eficiente energetic, iar aceste sisteme vor fi cel mai probabil însoţite de servere de calcul care se comportă ca porţi principale către Cloud pentru Internetul Lucrurilor (IoT) şi oferă servicii de programare avansată pentru utilizatorii reţelelor.
de Martin Hägerdal, Preşedinte Ericsson Power Modules
Uzual, arhitecturile de switch-uri telecom şi servere s-au concentrat pe eficienţa energetică sub sarcinile de vârf. Convertoarele în comutaţie de astăzi pot furniza randamente mai mari de 95% atunci când operează la sarcină completă. Dar provocarea pentru randamentul energetic la nivel de sistem însemnă că sistemul va opera la sarcini de vârf numai pe perioade mici de timp. Mult din timp vor merge în gol sau vor rula la
viteze de ceas mici pentru a conserva energia. Aceste lucruri necesită o abordare diferită în ceea ce priveşte furnizarea energiei ce se extinde de la convertorul final şi până la microprocesoarele individuale.
În paralel cu avansul arhitecturilor definite software, care stau din ce în ce mai mult la baza lumii digitale, furnizarea energiei solicită şi ea o abordare prin definire software. Arhitecturile de putere definite software (SDPA) au potenţialul de a aduce capabilităţi cu adevărat eficiente energetic în aplicaţii avansate de reţea şi server.
SDPA recunoaşte necesitatea de flexibilitate a energiei solicitate de microprocesoarele avansate şi FPGA-urile care adesea le suportă. Procesoarele comută frecvent între stări de putere şi tensiune, după cum se adaptează dinamic la volumul sarcinilor de calcul.
La nivelul stabilizatoarelor POL (puncte de sarcină), scalarea adaptivă de tensiune (AVS) este o tehnică puternică de optimizare a tensiunii de alimentare şi de minimizare a consumului energetic în aplicaţiile cu microprocesoare moderne de înaltă performanţă.
Tehnica preia avantajul relaţiei pătratice între tensiune şi consumul de putere în circuitele CMOS utilizate în logica digitală.
Tensiunile ridicate permit logicii CMOS să comute mult mai repede. Când volumul sarcinilor este redus, ceasul procesorului poate fi încetinit, iar tensiunea redusă la o valoare potrivită pentru acest nivel de performanţă.
AVS reglează de asemenea pentru a compensa automat variaţiile de procesare şi temperatură din procesor. Pentru a face acest lucru, AVS implică un control de timp real în buclă închisă pentru a oferi o sursă de tensiune ce permite procesorului să utilizeze o frecvenţă de ceas potrivită pentru sarcina de lucru curentă. Microprocesoarele de vârf de înaltă performanţă vor schimba sarcina de lucru şi condiţiile de operare în nanosecunde – de aceea stabilizarea în timp real a surselor pentru microprocesoare impune cerinţe ridicate asupra lăţimii de bandă a buclei de control şi necesită o monitorizare îndeaproape a performanţelor hardware-ului de calcul.
Detalierea controlului energetic are tendinţa să devină din ce în ce mai fină. O îmbunătăţire a AVS va fi activarea la cerere multi-nucleu, prin care nucleele procesoarelor dintr-un dispozitiv multi-nucleu sunt comandate prin însuşi software-ul ce rulează cu procesorul sau printr-un controler global al sistemului să se dezactiveze la anumite momente de timp pentru a asigura optimizarea energetică la nivel de sistem sau de placă.
Deşi un atribut cheie al SDPA va fi controlul local AVS, cerinţele acestor procesoare avansate se adresează întregii infrastructuri de distribuţie energetică a serverului, staţiei de bază sau a rack-ului de comutaţie. Felul în care energia ajunge la convertoarele POL necesită schimbări. Arhitectura de magistrală intermediară (IBA) a fost pentru un număr de ani o componentă cheie a soluţiilor de servere mari şi de comunicaţii de date.
IBA distribuie energie stabilizatoarelor POL la o tensiune statică de la 12V la 14V DC şi este trimisă sistemelor de comunicaţii de date prin convertoare de magistrală intermediară (IBC) ce pot fi alimentate cu 48V DC într-un sistem tipic de comunicaţii de date sau cu o tensiune AC mai mare într-un server de calcul. Soluţia de 12V sau 14V DC pentru magistrala intermediară asigură o tensiune suficient de înaltă pentru a furniza toată energia necesară sarcinii în perioadele de trafic ridicat de date cu pierderi comparativ mici pe lungimea interconectării de la IBC la un arbore de stabilizatoare POL.
Abordarea tradiţională IBA îşi pierde eficienţa odată cu scăderea nivelelor de trafic de date sau de calcul şi astfel prezintă sarcini mai mici la nivelul convertoarelor de putere. O schimbare către un control dinamic al tensiunii de magistrală (DBV) oferă posibilitatea de reglare a anvelopei energetice pentru a răspunde condiţiilor de schimbare a sarcinii. Se obţine acest lucru prin schimbarea tensiunii de magistrală intermediară ca răspuns la schimbările de sarcină prin utilizarea unui control de putere digital avansat şi a unui hardware optimizat combinat cu un software pentru a obţine randamente ridicate ale conversiei.
Trecerea la DBV poate reduce consumul energetic la nivel de placă cu un procent de la 3 la 10% în acord cu cercetările efectuate de Ericsson. Se produc astfel reduceri nu numai la nivelul consumului direct de energie, ci şi pentru că, reducându-se căldura asociată, se economiseşte şi energia necesară pentru răcire.
Ca rezultat, consumul energetic al infrastructurii sistemului este de asemenea redus.
O a treia tehnologie cheie pentru SDPA este distribuţia fazei. Această tehnică utilizează circuite de conversie în comutaţie multiple, fiecare defazat faţă de celălalt. Această abordare permite ca vârfurile mari de curent să fie micşorate – element crucial pentru procesoarele de înaltă performanţă ce operează prin alimentare de la surse de 1V sau mai puţin – fără a produce vârfuri ridicate de interferenţe electromagnetice ce pot apărea în arhitecturi de comutaţie cu o singură fază.
Distribuţia fazei permite un randament ridicat la sarcini mici, după cum fazele pot fi oprite când cerinţele de curent scad pe perioadele de activitate redusă a sistemului.
După cum densitatea de putere a serverelor creşte, datorită integrării de procesoare şi suport logic, există o cerinţă pentru arhitecturi ce au de a face cu plăci de sisteme multi-kilowatt. O posibilă soluţie este aceea a distribuţiei fragmentate a energiei, care implementează monitorizarea digitală a puterii şi capabilităţi de control. Abordarea constă din distribuirea de convertoare DC/DC multiple pe placă pentru a crea insule de putere. Convertoarele comunică utilizând o magistrală internă – ce poate fi PMBus sau o magistrală dedicată aplicaţiilor de partajare de curent – şi operează împreună pentru a partaja şi optimiza furnizarea energiei către sarcini.
SDPA va fi suportat prin introducerea altor tehnologii, precum scalarea adaptivă a traficului energetic alocat, prin care diferite nivele de tensiune vor trebui alocate în sistemele de înaltă complexitate la nivel de placă pentru a răspunde schimbărilor în cerinţele de trafic de date. Rapoartele la nivel de sistem asupra nivelelor de trafic vor permite unui controler de sistem să stabilească, pe o bază secundă cu secundă, cât de bine să aloce resursele şi energia necesară asociată lor. În acest cadru, plăcile pot fi pre-configurate pentru diferite scenarii de aplicaţii cu optimizarea software a profilului energetic, alegând cel mai potrivit profil pentru situaţia dată.
Prin schimbările propuse de SDPA, controlul mai fin asupra livrării de energie va deveni o parte integrală a arhitecturii serverelor în aplicaţii de servere de date şi alte aplicaţii similare, deoarece oferă cea mai bună cale de a atinge rezultate deosebite de eficienţă energetică ￭
Ericsson Power Modules
www.ericsson.com/powermodules