9月27日,由开放数据中心委员会主办,百度、腾讯、阿里巴巴、中国电信、中国移动、中国信息通信研究院、英特尔承办的“2016ODCC开放数据中心峰会”在京隆重召开。在下午的ODCC服务器分会场上,英特尔硬件架构师梁小国发表题为“48V供电结构在天蝎3.0的可行性研究” 的演讲。以下是演讲全文:

 

英特尔硬件架构师 梁小国

谢谢孝众的演讲。大家下午好,我是英特尔的梁小国,今天给大家分享一下我们天蝎今年在48V架构目前的一些研究成果。

研究的背景其实就是几个方面。

第一,未来数据中心的要求大家都知道,能效比较高,功率也会增加,供电架构希望扁平化,48V其实对这几个要求还是能够很好的满足,这是一个大的背景。

第二,大家都知道48V并非新的技术,今年业界比较关注,一个是Google贡献给了OCP了,作为天蝎我们有必要做一些详细的分析,看看基于国内目前整个功率的等级,用48V到底收益怎么样,这是一个目标和背景。

这里有一些假设,做任何结论都需要有一些假设。第一,我们所有分析目前基于天蝎62U的整机柜架构。对省电部分就是百分比,我们这边选了一个参考,相对于整个整机柜的输出功率。对母排的损耗,风扇的损耗,交换机的损耗,都做一个独立单元,独立拿出来分析。对于母排的损耗,所有整机柜的功率平均分布在每一个节点。然后目前基于我们用的整机柜的功率4-12KW的范围,做了针对实际的一些应用,所以我们能够应用国内的一些情况。最后,我们的分析有一个基本的假定,尽量减少对目前整机柜的机构方面的一些变化,就是我不能因为引入48V的架构去影响整个机构设计的变化,这个不是我们希望看到的。这是一个假设。

这是很老的一个图,大家都懂,我不用讲的很仔细,最传统的供电架构,IDC的供电架构,从市电过来,经过中间UPS,最后到整机柜,不详细分析。总的来讲我们这个报告忽略第一级,因为是市电,和公共建设有关,我们不去分析这一级的影响。中间那一级就是UPS,我们作为第二级。第三级就是整机柜。所以,我们主要分析第二级、第三级,这个图顺便讲一下引自英特尔在2016年的报告。

我们首先看一下整机柜内部看进去,每一部分看起来怎么样。首先,看PSU,整机柜进去第一极是PSU,目前用12V的PSU。换成48V以后会怎么样?大家首先会关注效率,我们为了公平起见,我们选白金板,没有选好的钛金板,而且来自于同样的技术,不能说隔代的技术,这个不太公平。所以,基于这样一个条件,我们可以看出来,把12V输出的PSU换成48V的PSU效率可以提高1.4%左右,而且在非常宽的负载范围内。这还是比较大众一点的部署,效率可提升1.4%。另一方面,除了效率它的成本比48V的PSU偏移20%到30%这样一个比例。另外,天蝎如果用48V的PSU有两种可能,包括把48V改动变成一些12V的PSU,它的接口等等都不需要做一些变化,这个对目前的兼容性更好。48V的PSU功率等级可以提一点,和目前我们正在做的,刚才有些已经讲到天蝎2.5,部署了BBU,BBS,和它的兼容性非常好。

下面看一下母排,目前看起来基于4-12KW这个功率等级,它的节省的功率比较有限,给大家的认知也差不多,因为我们的功率等级小。所以,在这一级省电还是非常有限的。那么,如果把这个节省折算到整个整机柜的输入功率的百分比就是0.5%左右,所以比例还是比较小。所以,我们希望能够在这个上面省很多回来,目前还是有困难的。

当然,除了48V,除了节电,另外还有一个其他的优点就是交换机的供电可以直接从48V供电,这是它的一个有点,可以直接从母排供电,也不需要任何的逆变器。用了48V以后母线的调节不像12V动不动5%,6%的调节范围,调节范围更在意味着要放更多的电容,成本更高,空间更大,这是用了48V我们能看到的另外一些优点。母线的损耗我们其实考虑了基本上里面的每个环节,包括母排,包括每一段的阻抗。

看一下风扇,整机柜的风扇,天蝎的风扇36U的计算节点,如果算整个是27个,一个风扇墙3个,27个风扇。如果把12V的风扇换成48V的风扇,我们期望它的散热能力和散热特性不能做任何改变,这就是我们期望的不要出现新的状况的改变。所以,还有大型供电,当然供电电压得提高到48V。在这样的条件下,我们其实有讨论,最后结论就是这个曲线,大家可以看出,如果直接把目前12V的风扇换成48V的风扇,每个风扇的功耗还是增加蛮多的,比较大的范围,这不是我们期望看到的。所以,其实后来又讨论还是可以做一个优化,如果把48V的优化换成里面VR的方式,就可以看到整个供电范围内它的供电,每个风扇的能耗都是可以减小的。所以,我们又根据目前天蝎的整机柜的一些日常运行数据我们对应到4kw,8kw,12kw这样一个领域,大概这个风扇运行在什么样的一个范围,算下来大概30%,60%,100%。所以可以看出风扇的节省还是蛮可观的,甚至超过母线的节省。这一点不去算一下想不到这一点。所以,这个比较直接,风扇的省电,基于目前整机柜的功率等级还没有那么过,应该是一个很大的比例。

下面讲TOR交换机,传统交换机支持48V供电,如果用48V供电,直接从48V母线供电就好了,不需要传统的供电,或者说现在的12V供电又加逆变器比较耗电,所以我们一级一级分析下来,根据每级的效率,然后区别,做了一个节电的分析,现在选的交换机是9700,目前节电不多,对整个整机柜的输出功率蛮小的一个比例,0.1%到0.3%。但是不管怎么说,这也是我们考虑的一个环节。我们相信将来用了这些技术以后,交换机的功率上去以后,它的节电也还可以再提高一点。

最后一个是主板,刚才每个部分都分析了一遍,最后一个是主板。主板这一级我们数据比较有限,这是目前我们手头上有的一款48V和12V设计CPU core这个效率水平的对比,把12V的换成48V的量测了一个效率。基本上看下来这个数据48V还是比12V差一些,虽然有个阶段20%-40%这个范围看起来好像还高一点,但是我觉得绿色曲线应该不是最优的,绿色曲线12V设计的不是最优的,大家做过设计应该知道,那个只是一个切换点的一个设置。所以,48V的效率不会比12V好,尤其轻载的时候。所以,我们分成两个情况,好的情况48V主板设计出来可能效率目前跟12V持平,这是我们给的好情况,可能还不容易达到。比较现实的比传统的12V设置的还要低一到两个点。

内部分析完了我们分析一下外部,我们比较了两种架构,一个是和传统的最标准的,也是最老的那种架构的比较,目前和高压直流240V的比较。这是最传统,最老的架构,为什么放在这儿,它仍然在使用,虽然它的能耗很差,因为先装上直流,再装上交流效率比较差。我们考虑到现在天蝎2.5,或者未来天蝎3.0都会把BBU放进去,外部就不需要UPS了,这是可以借过来的一个优点。所以,BBU这边我放一个数字,这个数字不影响我们分析的结果。所以,很简单一个对比大家知道外部来看效率差了8个点,这8个点折算到整个整机柜的输入功率8.8%。所以,48V能省8.8%的功率。

整个节电,前面分析了整机柜内部的百分比,再加上爱不的百分比,整个放在一块,在4kw,8kw,12kw这个里面省的百分比。主板分两种情况,一种是如果48V,12V效率是一样的,百分比如果折算成电费每年省多少,电费是一毛一度这样去算出来。所以,每个整机柜里面,在12kw里面能够省一千万美金这样一个数字。

比较一下240V高压直流的情况,这个现在已经开始部署而且还是得到大量的运用。它的区别在于还是UPS里面这是一种架构,我相信240V直流架构还是有不同的种类,这是其中的一种拿持续参考。它的简化就是直接前面那个AC-DC,很多地方叫做一级,我把它细化了。它的效率基本上92%,所以可以看到和右边的比节省是6个点,折算整机柜输出功率是6.6%。把刚才那个方法放到表格里看,少了点,5.5%到8.6%,如果一千个整柜的规模看,剩0.2-0.9million。

大家可能觉得还没有分析完,因为只分析了每年省多少电。其实你用了BBU以后成本怎么样,48V的成本怎么样,所以这页我们仍然在分析过程中,上面分析节电,同时分析风扇成本,PSU的成本,BBU成本可能不一定节省,主板供电VR的成本目前看是升高的,升高多少每个人都在看,所以此起彼伏,整个看起来,把这些部分有加有减最后是什么样子呢?这个就是最后我们要提供的数据,不是今天,希望在下次会议中有一些结果。这个TCO模型已经在分析了。总体来讲我们已经看到一些数据,整个产业界的方案成熟,比如48V VR,目前可能真正提供东西的只有两三家,而且大小首先不一样,另外就是一个成本。所以,更是很大的一块。然后BBU成本也很高,据我所知。所以,这都是整个需要产业界的这些同行来去鼓励,把这个成本降下去以后,48V就是算应用在目前的整机柜等级范围内还是有可能有收益的。

所以,我们总结一下,它的有点,供电更加扁平化,能够支持将来向更高功率发展的一个需求,替换交换机供电也比较简单,48V母线不需要像12V那样有严格的需求。当然,另外的问题就是和目前的天蝎2.5比,天蝎2.5现在已经开始在弄,如果已经部署BBU,48V和12V比可能省一个逆变器的成本,12V还是需要逆变器功率替换交换机。其他部分,比如BBU充上电,那部分讨论下来还是有些疑问。

整合最后结论,今天得不出结论,如果有一点结论,就是和传统的UPS海西比有减少的,目前和高压直流相比用了48V能不能省?非常大的程度依赖于整个产业链的成熟,特别是产业链的像BBU、风扇,像VR成本的合理化。不然用在小功率的RAP里面是不是收益可能是一个问号了。所以,这部分后面有更详细的分析结果再跟大家分享,谢谢!

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