ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Sep # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

Pilvi vaatii älykästä tehonsyöttöä

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 11.02.2022
  • Networks
  • Power

Kuluttajien datantarve on loputon ja sitä ruokitaan pilvipalveluilla datakeskuksissa. Pilvipalvelimien tehokas käyttö edellyttää erittäin huolellista tehonsyöttöä.

Pilvipalvelujen merkitys ja vetovoima lisääntyvät kaiken aikaa teknologiamarkkinoilla. Yksinkertaistettuna pilvipalvelulla viitataan mihin tahansa internetissä tarjottavaan palveluun. Pilvipalvelun takana on konsepti, jonka tarkoituksena on luoda yleiskäyttöinen infrastruktuuri nopeaan ja skaalattavaan datan ja tiedon hakuun. Vaikka monet määrittelevät ja tulkitsevat pilvipalvelut suurten julkisten verkkojen palveluiksi, on myös olemassa tarjolla yksityisiä pilvipalveluja turvallisissa yksityisverkoissa rajoitetuin pääsy- ja lupakäytännöin.

Yleisimmin kuluttajat ovat yhteydessä pilvipalveluihin jonkun käyttäjälaitteen välityksellä. Pilvipalveluiden käyttäjärajapinnassa – tai front endissä - käytetään ohjelmistoja, sovelluksia, graafisia käyttöliittymiä ja muisteja. Jotta tuettaisiin mahdollisimman suurta määrää käyttäjien käyttöliittymiä, pilvipalveluissa pitää panostaa valtavasti taustajärjestelmiin kuten teholähteisiin, palvelimiin, datatallentimiin ja tietokoneisiin. Sitä mukaa kun pilvipalveluiden vaatimukset kasvavat, lisääntyy tarve kasvattaa taustajärjestelmien skaalattavuutta ja suoritustehoa.

Research and Marketsin [1] mukaan maailman datakeskusmarkkinoiden odotetaan kasvavan vuosittain 6,4 prosenttia toissavuoden 26,1 miljardista dollarista 26,1 miljardiin dollariin vuoteen 2025 mennessä. Pilvipalveluiden kysynnän kasvu lisää tarvetta parantaa suoritustehoa. Data Center Knowledgen [2] mukaan on arvioitu, että maailmanlaajuisesti datakeskukset kuluttivat vuonna 2018 tehoa 205 terawattituntia (205,000,000,000,000 W/h) vuonna 2018. Noin merkittävä tehonkulutuksen lisääntyminen antaa aihetta miettiä priorisointia suorituskyvyn ja luotettavuuden osalta.

Pilvipalvelujen tehon muuttaminen

Useimpia datakeskusten laitekehikkoja syötetään 220 V:n UPS-virralla, jolloin teholukemat kehikkoa kohden nousevat lähelle 100 kilowattia. Kun pidetään mielessä, että useimpien ydinprosessorien jännitearvot ovat alle 2 V, joudutaan suuria jännitetasoja muuntamaan ja jakamaan. Sen lisäksi suuret tehot tarkoittavat suuria virtamääriä, jotka pitää uudelleen reitittää mahdollisimman tehokkaasti teho- ja lämpöhäviöiden minimoimiseksi. Monilla palvelinkehikoilla on 48 V:n teholähde taustakortilla. Se toimii pääasiallisena eli primäärisyöttönä jokaiselle kehikolla olevalle palvelimelle, joihin myös viitataan palvelinlevyinä.

Perinteisesti 48 V on ollut standardi tehonsyöttö tietoliikenteen ja verkkotekniikan infrastruktuureissa. Syynä 48 V:n valintaan on se, että yleisesti sen on ajateltu olevan suurin ihmiselle vaaraton jännite. Tyypillisesti yli 48 V:n jännitetasoja vaativien laitteiden täytyy olla kaksinkertaisesti eristettyjä ja tulee lisäksi täyttää tiukimmat turvallisuusvaatimukset.

Kuva 1: Lohkokaavio vaihtojännitteen syöttämisestä palvelimen taustalevylle.

48 V versus 12 V

Palvelinten 48 V:n tehonsyöttöön liittyen on kertynyt paljon keskustelua ja kokeiluja. Perinteisesti useimpien tietokoneiden ja palvelintyöasemien sisäisenä tehonsyöttönä on käytetty 12 V:n jännitetasoa. Tämä periytyy vaatimuksista, jotka juontavat juurensa aiemmin käytetyistä puolijohdeteknologioista, sekä tietokoneissa käytettävistä haihtumattoman tallennuksen kiintolevyistä, tuulettimista ja muista komponenteista. Kun keskusyksikön tehonkulutus on kasvanut dramaattisesti jokaisen perättäisen prosessorisukupolven myötä, suuret virtatasot ovat alkaneet aiheuttaa merkittävässä määrin johtumislämpöhäviöitä ja tehottomuutta. Tehohäviöistä syntyy lämpöä, joka on teholaskennan vihollinen, koska se lyhentää piirien elinikää ja tuo järjestelmään haavoittuvuuksia.

Yksi tapa torjua tehohäviöitä on laitekehikolle tulevan 48 V:n tehonsyötön liittäminen itse palvelimeen ja ottaa käyttöön kuormakohtaiset (POL, point-of-load) tehonmuuntimet.

Conduction Power Loss = (Load Current2)x(Conduction Path resistance)

Käytettäessä 48 V:n teholähdettä saadaan sama teho kuormaan neljännesvirralla, jolloin johdintien tehohäviöt pienenevät kertoimella 16. Tämä järjestelmän tehokkuuden merkittävä parannus tuo mukanaan haasteita. 12 V:n tehoratkaisut ovat olleet optimoidut useiden piirisukupolvien käyttöön ja ovat hyötysuhteeltaan äärimmäisen tehokkaita. Suuremman jännitetason tehonsyöttö vaatii suurempaa jännitteenalennusta CPU:n jännitetasojen saavuttamiseksi, mistä seurauksena voi olla tehomuunnosasteen suorituskyvyn heikkeneminen. Lisäksi tarvitaan myös suuritehoisten piiteknologioiden käyttöönottoa, jolloin MOSFET-arkkitehtuureissa alakohtaiset resistanssit kasvavat. Tämä kasvattaa myös järjestelmäkustannuksia.

Nämä järjestelmän haasteet ovat poikineet innovaatioita ja kehitystyön tuloksena on edistyneitä arkkitehtuureja toteutettu kokeilumielessä. Yksi lupaavimmista uusista tehonmuunnosteknologioista on STC-muunnin (Switched Tank Capacitor) kuvassa 2. Nämä muuntimet ovat erittäin suorituskykyisiä ja eräissä tapauksissa myös piirialaltaan pieniä. Suunnittelusta ja yleisestä järjestelmäarkkitehtuurista riippuen sekä yksi- että moniasteiset muunninratkaisut ovat osoittautuneet onnistuneiksi. Erityinen välijännite voi vaihdella sirutoimittajan mukaan ja tyypillisesti sen valinta perustuu käytettyyn teknologiaan. Tehokkaimmat esitellyt kokonaisratkaisut ovat olleet 48 V – 12 V – 1 V prosessoriytimen tehonsyötön toteutuksissa. Tämä lähestymistapa sekä hyödyntää vanhoja ratkaisuja että tasoittaa jännitealenemaa, jolloin järjestelmän kokonaissuorituskyky saadaan maksimoitua.

CPU:n ytimen tehonsyöttö

Suurivirtaiset tasavirtatehomuuntimet on tavallisesti toteutettu monivaiheisilla topologioilla. Jokainen vaihe käsittää tyypillisesti kaksi MOSFETtiä (korkean ja matalan puolen puolisilta-konfiguraatio) ja induktorin yksittäisen jännitettä laskevan katkojan aikaansaamiseksi. Tällaiseen arkkitehtuuriin viitataan yleisesti tehoasteena. Useita vaiheita ketjutetaan toisiinsa ja ohjataan yksittäisellä älykkäällä tehonhallintapiirillä (PMIC). Jokaisen vaiheen kytkeminen täytyy porrastaa ja tarkasti ohjata kuorman asetusten, huojunnan, transienttivasteen ja sekä lähteen säteilemien että johtuneiden kohinapäästöjen optimoimiseksi.

Tehoasteiden määrä ja kussakin asteessa kulkevan virran suuruus ovat tarkasti sovitettuja jokaisen CPU-sukupolven tarpeita vastaavasti. Markkinoilla on havaittavissa, että tarvittavien asteiden määrät ovat kasvussa ja että jokaisessa asteessa edellytetään suurempia virrantiheyksiä. Edistyneimmät monivaiheiset muuntimet voivat käsittää 16 vaihetta, jolloin jaettavan tehonsyötön kokonaismäärä ylittää helposti 1000 W.

Älykkäät tehoasteet

Kehittyneiden CPU-prosessorien edellyttämien äärimmäisten tehotiheyksien ”sivutuotteena” syntyy tarve aikaansaada hyvin tiukka kuorman regulointi. Edistyneet alle mikrometrin (deep sub-micron) piiteknologiat eivät siedä suuria jännitepoikkeamia tehonsyötössä eivätkä signaalipoluilla. Tärkeää onkin pystyä takaamaan, että CPU-piirille tehoa syöttävä monivaiheinen PMIC-piiri valvoo tarkasti jokaisen vaiheen jännitettä, virtaa ja lämpötilaa. Kaikkea tuota tietoa kerää ja sitä hallitsee vianhallinnalla varustettu älykäs tehoaste.

Jos keskusyksikköön syötetään hyvin suuria jännitteitä, huonosti hoidettu vianhallinta saattaa nopeasti tuhota prosessorin, jolloin joudutaan uudelleen asentamaan yksi tai useampi kallis komponentti. Kehittyneimmät älykkäät tehoasteet pitävät huolta kuormainduktanssista ja siihen liittyvistä hetkellisistä jännitepiikeistä ja muista järjestelmän parasiittisistä ilmiöistä kokonaisjärjestelmän luotettavuuden maksimoimiseksi. Ne ovat myös avaintekijöinä järjestelmän kokonaishyötysuhteen parantamiseksi.

Johtopäätös

Pilvipalvelujen markkinat jatkavat kasvuaan ja laajenemistaan sitä mukaa kun kuluttajien tiedonjano aina vain kasvaa. Vastatakseen kysyntään pilvipalveluja mahdollistavaa infrastruktuuria tukevien teknologian osa-alueiden toimijoiden on jatkettava innovointiaan ja osattava ennakoida markkinoiden tarpeita. Pilven koko tehopuu monivaiheisine ohjaimineen, älykkäine tehoasteineen ja kuormakohtaisine tehomuuntimineen pitää olla erittäin huolellisesti suunniteltu ja valmistettu, jotta se voi tukea pilven infrastruktuuria mahdollisimman tehokkaasti ja luotettavasti. Onsemi tarjoaa edistyneitä ratkaisuja koko tehopuun kaikkiin osiin 48 voltista 1 voltin syöttöön asti. Lisätietoja näistä tehoratkaisuista löytyy osoitteesta www.onsemi.com.

 

Viitteet

[1] https://www.businesswire.com/news/home/20201207005379/en/Global-Data-Center-Power-Market-Forecasts-to-2025-Rising-Adoption-of-Cloud-Services-Which-Requires-Highly-Reliable-Data-Centers-to-Drive-the-Growth-of-Data-Center-Power-Market---ResearchAndMarkets.com

[2] https://www.datacenterknowledge.com/energy/study-data-centers-responsible-1-percent-all-electricity-consumed-worldwide

MORE NEWS

Puheluun ei tarvitse enää vastata

Suomalainen ei tunnetusti mielellään puhu, eikä kohta tarvitse puhua enää puhelimessakaan. Elisa, Nokia ja Scailarc esittelivät Helsingissä uuden tekniikan, jossa puhelun syyn näkee jo ennen vastaamista ja asian voi jopa hoitaa puhumatta sanaakaan.

Pendulum mittaa tehon ja taajuuden 27 gigahertsiin

Pendulum Instruments on tuonut markkinoille PFA-127-analysaattorin, joka yhdistää mikroaaltosignaalien tehon ja taajuuden mittauksen samaan laitteeseen. Pulssitetuilla RF-signaaleilla laite mittaa rinnakkain myös pulssin leveyden ja toistovälin.

Spansion-nimi tekee paluun flash-markkinoille

Taiwanilainen Winbond ostaa Infineonin NOR Flash- ja F-RAM-liiketoiminnan 1,12 miljardilla dollarilla. Kaupan toteuduttua liiketoiminta saa nimekseen Spansion. Alalla pidempään toimineet muistavat nimen hyvin, sillä sen juuret ulottuvat AMD:n ja Fujitsun flash-muisteihin yli kahden vuosikymmenen taakse.

Lattice toi tekoälyn FPGA-suunnitteluun

Lattice Semiconductor tuo tekoälyn avuksi FPGA-piirien suunnitteluun. Uusi ilmainen Lattice Prompt -työkalu antaa suunnittelijan kuvata haluamansa toiminnon luonnollisella kielellä ja vie tehtävän aina käännökseen, simulointiin ja validointiin asti.

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Rikolliset myyvät pääsyä kaupallisiin kielimalleihin

Varastetuista tekoälypalvelujen käyttöoikeuksista on syntynyt oma rikollinen markkinansa. Check Point Researchin mukaan kaupan on pääsyä kaupallisiin kielimalleihin, niiden turvarajojen kiertämistä sekä rajoittamattomia malleja haittaohjelmien ja haavoittuvuuksien hyödyntämisratkaisujen kehittämiseen.

Kvanttiturvallista ohjausta FPGA-piirillä

Lattice Semiconductor tuo markkinoille Mach-N2-FPGA-perheen järjestelmien ohjaukseen ja suojaukseen. Piireihin yhdistyvät integroitu flash-muisti, laitteistopohjainen Root of Trust ja CNSA 2.0 -vaatimusten mukainen post-kvanttisalaus.

Pitääkö kvanttitekniikkaa pelätä?

Pitääkö kvanttiteknologiaa pelätä samalla tavalla kuin tekoälyä tai autonomisia järjestelmiä? Kysymys nousi esiin keskiviikkona Espoossa Nordeep-tapahtuman tulevaisuuden laskentaa käsitelleessä paneelissa. Vastaus oli varsin yksimielinen. Kvanttiteknologiaa ei tarvitse pelätä.

PX5 on nopein RTOS

PX5 RTOS nousi nopeimmaksi reaaliaikakäyttöjärjestelmäksi Beningo Embedded Groupin vuoden 2026 suorituskykyvertailussa. PX5 voitti kaikki seitsemän varsinaista suorituskykytestiä, kun käyttöjärjestelmät käännettiin raportin päävertailussa samalla GCC:n -Ofast-optimoinnilla.

Tarkka etäisyysmittaus tulee halpoihin Bluetooth-tageihin

Bluetoothin uusi tarkka etäisyysmittaus on tulossa myös pieniin ja edullisiin IoT-laitteisiin. Nordic Semiconductorin uusi nRF54LC10A tuo Bluetooth Channel Sounding -tekniikan erityisesti tageihin, seurantalaitteisiin ja yksinkertaisiin älykotisensoreihin.

Rakettitiede ostaa Sysartin: lähes 90 kehittäjän joukko pystyy isompiin hankkeisiin

– Nyt pystymme yksinkertaisesti tekemään isompia asioita, kun on enemmän tekijöitä, Rakettitieteen toimitusjohtaja Juha Huttunen kiteyttää yhtiön historian ensimmäisen yrityskaupan.

Fujitsu avasi kvanttisovellusten kehitysalustan kaikille

Fujitsu on julkaissut avoimena lähdekoodina kvanttisovellusten kehittämiseen tarkoitetun OpenQARP-ohjelmistonsa. Paketti tarjoaa yli sata ohjelmistokomponenttia, joiden avulla kvanttialgoritmeja voidaan rakentaa valmiista osista sen sijaan, että toteutus pitäisi ohjelmoida alusta lähtien.

Klinkmann vie data-analytiikan Liettuan kantaverkkoon

Suomalainen Klinkmann toimittaa data- ja analytiikkaratkaisun Liettuan kantaverkkoyhtiö Litgridille. Ratkaisulla kerätään, visualisoidaan ja analysoidaan sähköverkon operatiivista dataa, jotta verkon tilannekuvaa ja päätöksentekoa voidaan parantaa.

Kuinka kaukaa data ehtii millisekunnissa?

Pilvipalvelu voi tuntua paikalta, jolla ei ole fyysistä sijaintia. Reaaliaikaisissa sovelluksissa maantiede tulee kuitenkin nopeasti vastaan. Jos järjestelmän pitää reagoida millisekunnissa, palvelun pitäisi internetin verkko-operaattori DE-CIX:n laskelman mukaan sijaita alle 80 kilometrin päässä käyttäjästä.

Akku voi tehdä rahaa monella tavalla

Akkuvarastoa ei tarvitse käyttää vain sähkön varastoimiseen halvalla ja purkamiseen kalliilla. Saksalaisen Furon ohjelmisto optimoi reaaliajassa useita käyttötapoja ja valitsee jatkuvasti, missä akun kapasiteetista saadaan paras taloudellinen hyöty.

Kamera ja tutka yhdistävät voimansa auton sisätiloissa

Auton sisätilojen valvonta on siirtymässä yksittäisistä antureista anturifuusioon. Murata ja Smart Eye yhdistävät kameran ja 60 gigahertsin tutkan datan, jotta auto pystyy muodostamaan aiempaa tarkemman kuvan kuljettajasta ja matkustajista.

IT-viat ratkaistaan pian puhumalla

Fujitsu haluaa tehdä IT-tuesta keskustelun. Yhtiön uusi Aurora-tekoälyagentti kuuntelee käyttäjän ongelman, päättelee tarvittavat toimet ja pyrkii ratkaisemaan vian autonomisesti. Puhepohjainen palvelu toimii yli 50 kielellä.

UWB:stä tulee myös tutka

UWB tunnetaan ennen kaikkea tarkasta paikannuksesta, älypuhelinten seurantalaitteista ja autojen digitaalisista avaimista. Valmisteilla oleva IEEE 802.15.4ab -standardi laajentaa tekniikan kuitenkin uuteen suuntaan, sillä UWB:stä on tulossa myös ympäristöään havainnoiva tutka.

Tekoäly on jo vaatimus joka toisessa softaprojektissa

– Tämä ei ole hypeä, vaan näkyy konkreettisesti liiketoiminnassa, sanoo IT-palveluyhtiö Wittedin toimitusjohtaja Markus Huttunen. Yhtiön uusista ohjelmistokehityksen toimeksiannoista jo noin puolessa tekoälyn käyttö on keskeinen vaatimus.

LabVIEW’ta koodaava Nigel tallentaa keskustelut vain paikallisesti

Emerson on kertonut uusia yksityiskohtia NI Nigel -tekoälynsä tietoturvasta ja tulevasta kehityksestä. LabVIEW-koodia ja TestStand-testisekvenssejä tuottava Nigel käyttää OpenAI-malleja Microsoftin Azure-ympäristössä, mutta käyttäjän keskustelut tallennetaan vain paikallisesti.

Sep # puffbox mobox till tme native
2026  # mobox för megabox
Sep  # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Puheluun ei tarvitse enää vastata
  • Pendulum mittaa tehon ja taajuuden 27 gigahertsiin
  • Spansion-nimi tekee paluun flash-markkinoille
  • Lattice toi tekoälyn FPGA-suunnitteluun
  • Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

NEW PRODUCTS

  • 140 watin USB-C-laturi yltää 96 prosentin hyötysuhteeseen
  • ST vähentää komponentteja kilowattiluokan teholähteistä
  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
  • Uusi piiri tasapainottaa litiumkennot nopeammin
  • Mediatekin uusin tuo kielimallit kodinkoneisiin
 
 

Section Tapet