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