(相關資料圖)

導言

隨著數據量的增長和云計算等需求的提升,服務器耗電量呈現日益上升的趨勢,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而提出的創新,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模數據中心可以獲得可觀的電費節省,做到綠色低碳,節能減排。根據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平臺服務器的數據中心,配置 TDP為350W的CPU,在電費成本0.12美元的條件下,五年內可以節省最高900萬美元的電費。

大電流帶來的損耗挑戰

CPU功耗的增加會給服務器主板帶來硬件上的設計挑戰。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鏈廠商的大力配合。英特爾聯合供應鏈生態伙伴共同開展技術開發與驗證,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:

經過聯合開發,烽火超微依據服務器量產的所有測試標準,全方位、系統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: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,使用英特爾電源匯流排技術可以在CPU 滿載壓力下的系統性能有如下直接提升:

? 約10W的整機功耗節省。

? 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提高1%,優化了系統能效比。

? CPU插座底部附近溫度最高降低4℃。

開發團隊也進行了電源仿真分析,結果和實測數據基本吻合。

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能效果。如80% TDP負載時,整機能耗依然可以節省多達7W。在50% TDP負載下,整機能耗可節省3W。多種功耗下的測試數據表明,CPU功耗越高,電源匯流排技術帶來的節能效果越可觀。

電源匯流排技術除了直接提升了能效,還間接提升了系統穩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,保證系統更加穩定運行。面向未來處理器的發展,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

根據行業經驗,數據中心約有70%運行成本來自電價。數據中心服務器數量眾多,在龐大基數下,單臺服務器數瓦的能效差異也會在長期運行中累積為巨大的數字。

假設一個數據中心,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,在連續運營5年后,電源匯流排技術可以節省多少電費呢?

如果按滿負荷下的能耗計算,如此規模的數據中心5年內節省電費最高可達931萬美元。

考慮到實際不同業務場下CPU利用率不同,數據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,每臺節約7W功耗,累計可以節省約616萬美元。

? 如果只有80%的服務器滿載,累計可以節省721萬美元以上。

? 如果只有50%的服務器滿載,累計可以節省406萬美元以上。

? 即使是一個業務量非常不飽和的業務中心,所有CPU均只運行在50%負載下,也可以節省約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供電傳輸損耗的創新型設計。在低碳節能的理念之下,烽火超微將這個創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,實現了以最小改動的方式優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設計具有一定差異性,英特爾還聯合供應鏈生態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,助力綠色節能

在系統驗證階段,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,可以進行規模化生產與推廣。新的節能技術提升了烽火超微EGS平臺服務器的競爭力,從節能降本、提升穩定性、擴展升級潛力方面為客戶提供更多的價值。

面向數據中心的低能耗服務器設計是重要的開發方向,可以更好滿足大規模數據中心的部署需要,符合國家雙碳戰略,促進產業鏈全生命周期的節能減排,助力行業綠色節能發展。

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