xz

1.

Подсистемы
энергообеспечения и
подсистемы охлаждения
микропроцессорных систем
1

2.

Май 2022|
В мировом топе суперкомпьютерных держав Россия
поднялась с десятого на восьмое место.
В рейтинг попали семь российских суперкомпьютеров
«Яндекса», Сбербанка, МТС и МГУ.
Места в Top500 версии мая 2022 г. :
1. Китай (173 системы),
2. США(127),
3. Япония (34),
4. Германия (31),
5. Франция (22),
6. Канада (14),
7. Великобритания (12),
8. Россией (7),
9. Италия (6),
10.Нидерланды (6), …
3

3.

Список TOP500 – июнь 2024
Ранг
1
2
3
4
5
Система
Рубеж - HPE Cray EX235a, AMD Optimized 3-е
поколение EPYC 64C 2 ГГц, AMD Instinct
MI250X, Slingshot-11, HPE DOE / SC /
Национальная лаборатория Окриджа
США
Аврора - HPE Cray EX - Intel Exascale Compute
Blade, Xeon CPU Max 9470 52C 2,4 ГГц, Intel
Data Center GPU Max, Slingshot-11, Intel DOE /
SC / Аргоннская национальная лаборатория
США
Eagle - Microsoft NDv5, Xeon Platinum 8480C
48C 2 ГГц, NVIDIA H100, NVIDIA Infiniband
NDR, Microsoft Azure Microsoft Azure
США
Суперкомпьютер Fugaku - Суперкомпьютер
Fugaku, A64FX 48C с частотой 2,2 ГГц,
межсоединение Tofu D, Fujitsu Центр
вычислительной науки RIKEN
Япония
LUMI - HPE Cray EX235a, AMD Optimized 3-е
поколение EPYC 64C 2 ГГц, AMD Instinct
MI250X, Slingshot-11, HPE EuroHPC/CSC
Финляндия
Количество
ядер
Rmax
(ПФлоп /с)
Rpeak
(ПФлоп /с)
Мощность
(кВт)
8,699,904
1,206.00
1,714.81
22,786
9,264,128
1,012.00
1,980.01
38,698
2,073,600
561.20
846.84
7,630,848
442.01
537.21
29,899
2,752,704
379.70
531.51
7,107
Россия на 42 месте
4

4.

Рост энергопотребления ВС
Данные IDC:
Доля энергопотребления вычислительных систем составляет около 15% общего
энергопотребления США.
Затраты на электроэнергию, связанные с электропитанием и охлаждением серверов,
опережают рост доли расходов на приобретение серверов.
5

5.

Расчет энергопотребления
блока питания
компьютера
(микропроцессорной
системы)
6

6.

Блоки питания микропроцессорных систем
• Назначение блоков питания — преобразование электрической
энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию,
пригодную для питания узлов МПС.
• Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 110-220
В, 50-60 Гц в постоянные напряжения +3,3; +5; +12В.
• Устройства, рабочее напряжение которых отличается от
выдаваемого блоком питания, питаются от регуляторов напряжения
(VRM - Voltage Regulator Module, в просторечии микросхемы
стабилизации напряжения) , устанавливаемых на системную плату.
• Для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров), как
правило, используются напряжения:
• +1,7В - формируемые из +3,3 В или +5 В,
• +12 В - для новых процессоров и графических плат, для
двигателей (дисководов, вентиляторов, НЖМД) —
7

7.

Пример методики расчёта БП
компьютера
1. Составляется перечень напряжений (3в., 5в., 12в.) используемых для
различных узлов компьютера, определяется максимальный ток по
каждому из напряжений, то есть определяются предельные
мощность энергопотребления по каждому из напряжений.
2. Производится суммирование потребляемой мощности для всех
напряжений, всех узлов входящих в состав компьютера (i)
Psum= p(1) + p(2) + p(3) + ... + p(i) ;
3. Определяется максимальная мощность блока питания
Pmax = Psum + 20%*Psum ;
ДАЛЕЕ для создания блока питания требуется:
Определить габаритные размеры преобразователя по значению
полной мощности позволяет ;
Выбрать тип преобразователя энергии: трансформатор 50 гц. или
импульсный преобразователь;
Определить параметры элементов по каждому рабочему напряжению:толщина провода обмотки, параметры силовых транзисторов и т.д.
Произвести схемотехническое проектирование блока питания на 8
нужные входные и выходные параметры блока питания.

8.

Пример расчета
Компонент
Кол
-во
Максимальный ток на
линиях, А
+12 В
+5 В
Суммарная
мощность, Вт
+3.3 В
Процессор AMD Athlon 64 3800+
1
Вентилятор процессора Thermaltake CL-P0025 Silent
Tower Cooler
1
0,18
2,16
Вентилятор БП
1
0,25
3
Вытяжной вентилятор корпуса
1
0,25
3
Системная плата ASUS A8N-SLI Premium
1
0,5
Модуль памяти DIMM DDR400 512 Мбайт
2
Видеокарта PCI Express NVIDIA GeForce 6800
1
Жусткий диск 160 Гбайт, SATA, 7200 об./мин.
4
2
0,8
56
Дисковод DVD-RW
1
1,2
0,8
15,6
0,5
10
25
89
3
3
2
20
22
USB хост
31
73
FireWire хост
1
5
Звуковая карта PCI
1
0,5
0,5
4,2
Сетевая карта PCI
1
0,4
0,4
3,4
13
25,9
Суммарный ток
Всего
4,38
335,4
Энергопотребление отдельных узлов можно измерить или найти в
9
справочной литературе.

9.

Инструменты для измерения энергопотребления
персонального компьютера и узлов
Ваттметр или измеритель мощности, – это один из лучших и самых
простых способов измерить, сколько энергии потребляет ПК и его
периферийные устройства в режиме реального времени.
10

10.

Табличное энергопотребление видеокарт Nvidia
11

11.

Таблица энергопотребления процессоров
12

12.

Выбор БП Pбп >= Pmax
Наименование
блока питания
Максимальный ток, А
Максимальная мощность, Вт
КНС12В
3,3V
5V
12V1
12V2
12V3
12V4
3,3&5V
12V
Общая
ATX12V ver. 2.3 180W
13
14
10
−
−
−
80
120
175
0,686
ATX12V ver. 2.3 220W
13
14
14
−
−
−
80
168
215
0,781
ATX12V ver. 2.3 270W
19
15
17
−
−
−
97
204
265
0,77
ATX12V ver. 2.3 300W
21
15
11
8
−
−
103
216
295
0,732
ATX12V ver. 2.3 350W
21
15
11
14
−
−
103
264
345
0,765
ATX12V ver. 2.3 400W
24
15
17
14
−
−
120
300
395
0,76
ATX12V ver. 2.3 450W
24
15
17
16
−
−
120
360
445
0,81
Hipro HP-D5201AW
20
20
18
18
−
−
130
408
520
0,785
EPS12V ver. 2.91 550W
24
24
16
16
14
8
140
492
550
0,895
EPS12V ver. 2.91 600W
24
24
16
16
16
16
140
576
600
0,96
EPS12V ver. 2.91 650W
24
30
16
16
16
16
170
624
650
0,96
EPS12V ver. 2.91 700W
24
30
16
16
16
16
170
672
700
0,96
EPS12V ver. 2.91 750W
24
30
16
16
16
18
170
720
750
0,96
EPS12V ver. 2.91 800W
28
30
16
16
16
18
170
768
800
0,96
13

13.

Блок питания это просто
14

14.

Переменный ток и трансформатор
N1 и N2 соответственно
количество витков в
обмотке 1 и в обмотке 2.
Формула работает
только для переменного
тока!!!
Все блоки питания работают по одинаковому принципу преобразуют один вид энергии в другой для получения нужных
параметров напряжений и токов.
В трансформаторе преобразуется электрическая энергия
переменного тока в магнитную энергию перемагничивания
сердечника трансформатора и обратно.
15

15.

Обычный блок питания
16

16.

Импульсный блок питания
генератор
17

17.

О зависимости габаритной мощности
трансформатора от частоты
Габариты
и
мощность
трансформатора
прямо
пропорциональна частоте передаваемого тока и площади
поперечного
сечения
сердечника.
При
расчете
трансформатора используется формула:
Ргаб = Sc * So * f * Вmax / 150
где
Pгаб – габаритная мощность,
f – рабочая частота,
Sc - площадь поперечного сечения сердечника.
So - площадь окна магнитопровода,
Вmax - максимальное значение индукции материала
сердечника
18

18.

Сетевой трансформатор 220 вольт на
12 вольт, рабочая частота 50 герц.
Для импульсных блоков
питания рабочую частоту делают
50 кгц. вместо 50 герц (частота
напряжения ~220в), т.е в 1000 раз
больше.
19

19.

Форм-факторы БП
• Габариты блока питания и расположение его элементов
характеризуются конструктивными размерами, или
формфакторами (ФФ)
• ФФ определяет стандарты различных компонентов
персональных компьютеров. Известны ФФ: PC/XT, АТ,
PS/2 Model 30, АТХ, LPX, NLX, SFX и др.
• Названия ФФ блоков питания совпадают с названиями ФФ
системных плат, корпусов.
• Стандарты определяют место размещения БП в корпусе
компьютера, количество и тип выводов и разъемов,
направление воздушного потока, создаваемого
вентилятором, и др. характеристики
20

20.

Блок питания стандарта ATX
21

21.

22

22.

Взаимодействие по управлению БП и
системной платы
• От блока питания на системную плату подается сигнал
Power_Good (питание в норме). Уровень сигнала Power_Good
— от +3 до +6 В (обычно около +5 В);
• Сигнал вырабатывается блоком питания после выполнения
внутренних проверок и выхода на номинальный режим
работы (через 0,1–0,5 с после включения);
• На системной плате по сигналу Power_Good микросхемой
тактового генератора формируется сигнал сброса процессора
до начальной установки;
• Сигнал Power_Good используется для сброса вручную - для
аппаратной перезагрузки компьютера;
• Сигнал PS_ON (=0,при вкл., =3 - 5 В) используется для
программного отключения источника питания в системах с
возможностью расширенного управления питанием (Advanced
Power Management - APM).
23

23.

Неисправности блока питания и их влияние
на компьютер
• Любые ошибки и «зависания» при включении компьютера.
• Спонтанная перезагрузка или периодические зависания во
время работы.
• Хаотичные ошибки четности и сбои при обращении к
оперативной памяти.
• Одновременная остановка жесткого диска и вентилятора (нет
напряжения +12 В).
• Перегрев компьютера.
• Перезапуск компьютера при включении-выключении внешних
потребителей электроэнергии и периферийных устройств
компьютера.
• Поражение электрическим током во время прикосновения к
корпусу компьютера или к разъемам.
• Разряды статического электричества, нарушающие работу
системы.
• И др.
24

24.

Обеспечение бесперебойного
питания ВС
25

25.

Источники аварийного питания
Источники аварийного питания (ИАП) позволяют в течение
некоторого времени поддерживать работоспособность системы
при исчезновении напряжения в сети для сохранения
результатов и корректного завершения работы МПС.
Существует два вида устройств АП:
• источники резервного питания (Standby Power Supply
— SPS);
• SPS. Ориентированы на рынок SOHO.
– Типы SPS:
• off-line SPS;
• line-interactive SPS.
• источники бесперебойного питания (Uninterruptible
Power Supply — UPS).
• On-line UPS (True UPS). Для использования в
критически важных системах.
26

26.

Off-line SPS (резервное питание)
27

27.

Оff-line SPS
– Нагрузка
подключается
к
преобразователю
напряжения только тогда, когда исчезает или
становится очень низким сетевое напряжение.
В этом случае срабатывает реле и к установленному в SPS
преобразователю постоянного напряжения в переменное
подключается
аккумуляторная
батарея.
Начинает
вырабатываться
переменное
напряжение,
которое,
поступает на вход устройства вместо сетевого.
– Достоинство: низкая стоимость.
– Недостатки: возможны «броски» по питанию в момент
переключения на резервный источник, не содержат
стабилизатора напряжения – выходной сигнал содержит
помехи из входной сети, переход на резервный источник
при кратковременном снижении уровня входного
напряжения приводит к быстрому разряду аккумулятора.
28

28.

On-line UPS (Бесперебойное
питание)
29

29.

On-line UPS (True UPS)
• Нагрузка подключена к преобразователю напряжения
всегда и являются источником питания, не зависящим
от параметров электрической сети, т.к. питание
компьютера всегда осуществляется от аккумулятора.
• Аккумуляторные батареи служат буфером между
защищаемым оборудованием и сетью. От сети происходит
только подзарядка аккумулятора.
• Достоинства: отсутствие эффекта переключения,
отсутствие проникновения в компьютер импульсных
помех и флуктуаций питающей сети.
• Недостаток: высокая цена.
30

30.

Основные характеристики ИАП
• выходная мощность – измеряется в вольт-амперах (VA)
• мощность, потребляемая нагрузкой* – измеряется в
Ваттах (W);
• время автономной работы - определяется электрической
емкостью резервной батареи и мощностью подключенного
к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.) ;
• выходное напряжение - измеряется в вольтах (V);
• время переключения - время перехода ИБП на питание от
аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, мс);
• диапазон входного (сетевого) напряжения - при котором
ИБП работает без перехода на аккумуляторные батареи
(измеряется в вольтах, V);
• срок службы аккумуляторных батарей - средний
гарантированный срок службы (по паспорту) (измеряется в
31
годах)

31.

line-interactive SPS компании
APC
Модель Smart-UPS 1000VA USB & Serial 230V SUA1000I
Тип
Линейно-интерактивный (line-interactive);
Номинальное выходное напряжение 230В.
Искажения синусоидальной формы выходного напряжения
полной нагрузке
Менее 5% при
Максимальная выходная мощность 1000 ВА
Эффективная мощность
670 Ватт
Время работы от аккумуляторов при нагрузке 130 Ватт 60 минут
Время работы от аккумуляторов при нагрузке 260 Ватт 25 минут
Время работы от аккумуляторов при нагрузке 520 Ватт 9.5 минут
32

32.

Подсистема охлаждения
компьютеров и
микропроцессорных
систем
33

33.

Основные положения
Увеличение производительности МПС приводит к
увеличению энергопотребления и тепловыделения (Ет):
∆Ет ~ {∆F, (∆U)2 }
Где ∆F - изменение частоты,
∆U – изменение напряжения.
Увеличение тепловыделения повышает требования к
эффективности
системы
охлаждения.
Каждый
компонент МПС должен работать в рамках своего
документированного теплового режима - TDP.
TDP - термальная проектная мощность
34

34.

TDP - термальная проектная мощность процессоров в
зависимости от топологической нормы и рабочей
частоты процессора.
Модель
Частота
TDP
Pentium MMX
200 MHz
15.7 W
Pentium II 300 (0.35µ)
300 MHz
18.6 W
Pentium III 600 (0.25µ)
600 MHz
43 W
Pentium III 1000 (0.18µ)
1GHz
35.5W
Pentium III 1333 (0.13µ)
1.33GHz
34W
Pentium 4 1.5 (0.18µ)
1.5GHz
58W
Pentium 4 2.8 (0.13µ)
2.8GHz
68W
Pentium 4 HT 672 (90nm)
3.8GHz
115W
Pentium D 960 (65nm)
3.6GHz @ 2 cores
130 W
Core 2 Duo E6850 (65nm)
3GHz @ 2 cores
65W
Core 2 Quad Q6600 (65nm)
2.4GHz @ 4 cores
95W
Core 2 Quad Q9550S (45nm)
2.83GHz @ 4 cores
65W
Core i5-680 (32nm)
3.6GHz @ 2 cores
73W
Core i7-3930K (32nm)
3.6 GHz @ 6 cores
130 W
36
Core i7-3770K (22nm)
3.5GHz-3.9GHz @ 4 Cores
77W

35.

Характеристика TDP в
маркировке микропроцессоров
В МП Intel:
• X - TDP - более 75 Вт
• E - TDP - 50 – 74 Вт
• T - TDP - 25 – 49 Вт
• L - TDP - 15 – 24 Вт
• U - TDP - менее 14 Вт
Пример
• Core 2 EE X6800 – 2,93 ГГц, 4 Мб L2, 1066 МГц FSB
• Core 2 Duo E6600 – 2,4 ГГц, 4 Мб L2, 1066 МГц FSB
• Core 2 Duo E6400 – 2,13 ГГц, 2 Мб L2, 1066 МГц FSB
• Core Duo T2500 – 2 ГГц, 2 Мб L2, 667 МГц FSB
• Core Duo U2500 – 1,06 ГГц, 2 Мб L2, 533 МГц
37

36.

Принципы построения систем
охлаждения МПС
1. Эффективный теплообмен между
источником тепла и теплоносителем
– Эффективный подвод холодного
теплоносителя к источнику тепла
– Эффективный отвод горячего
теплоносителя от источника тепла
38

37.

Классификация систем охлаждения
• По типу теплоносителя:
– Воздушные;
– Водяные (жидкостные);
– Термоэлектрические;
– Охладители на тепловых трубках;
– Парокомпрессионные холодильные установки;
– др.
39

38.

Классификация систем охлаждения
По виду теплообмена:
• Воздушные:
– с естественной конвекцией
• (применяются в системах с
тепловыделением до 10…15 Вт);
– с принудительной конвекцией
• (применяются в системах до 150-170 Вт).
• Жидкостные:
– самотечные;
– с принудительной прокачкой
• (применяются в системах более 1000 Вт);
– погружные.
• С использованием перехода фазового состояния
вещества (жидкость-газ):
– нитрогенные;
– компрессорные.
40

39.

Аэрогенные системы (воздушные)
Теплоноситель – воздух.
Использование воздушного радиатора охлаждения
Чем больше площадь теплового контакта, то есть площадь
радиатора, тем интенсивнее передается тепло.
• увеличение площади ребер при сохранении размера
радиатора;
«+» теплообмен улучшается;
«-» требуется создать бóльшее давление, для прокачки
воздуха через радиатор;
• увеличение геометрических размеров радиатора;
• «+» теплообмен улучшается;
«+» низкое сопротивление прокачиваемому воздуху;
«-» большие габариты.
41

40.

Воздушная система отвода тепла
от кристалла процессора
42

41.

Термозащита современных
процессоров
• Большинство современных микропроцессоров поддерживают
технологии защиты от перегрева - применяются схемы
контроля тепловыделения (Thermal Control Circuit (TCC))
• Компоненты ТСС - Thermal Monitor (TM1) и Thermal Monitor
2 (TM2)
Принцип работы ТСС
• При срабатывании сигнала достижения критической
температуры:
– TM2 понижает частоту и напряжение до достижения нормальной
температуры;
– если этого недостаточно, то ТМ1 заставляет МП пропускать такты;
– если и этого недостаточно, МП отключается.
43

42.

Пассивное охлаждение
44

43.

Использование материалов с лучшей
теплопроводностью для радиатора
Температура радиатора из меди в 1,5 раза ниже
температуры радиатора из алюминия при
одинаковой тепловой мощности.
45

44.

Радиатор с тепловыми трубками –соединение
жидкого и воздушного охлаждения.
Радиатор с тепловыми трубками (англ.: heat pipe) —
компромисс медного и алюминиевого радиатора.
Герметично запаянные металлические трубки (обычно
медные) эффективно переносят тепло между всеми рёбрами
радиатора (выполняемые обычно из алюминия).
46

45.

Тонкие плоские распределители тепла
Двухкомпонентный медный
распределитель охлаждающей
жидкости
Плоская тепловая трубка толщиной
500 микрон (0,5 мм), вид в разрезе.
47

46.

Плоские активные
распределители тепла
Notebook Cooler Тепло
Разбрасыватели
Перспективный вид
низкопрофильного радиатора с
принудительной конвекцией и
охлаждением, использующего
плоское основание
распределителя тепла с
активной тепловой трубой
Перспективный вид тонкого
плоского алюминиевого
распределителя тепла с
аммиачной тепловой
трубкой (оранжевый) для
ноутбука
48

47.

Охлаждение радиаторов.
Воздушные потоки в корпусе ATX
49

48.

Создание пониженного давления в
корпусе
Достоинства:
Лучшая производительность системы охлаждения.
Усиление естественной конвекции.
Линейность воздушного потока.
Лучшая работа с видеокартами с выводом тепла.
Недостатки:
Требуется пылеулавливающий фильтр.
50

49.

Создание повышенного давления в
корпусе
Достоинства:
Пылезащищенность.
Недостатки:
Средняя производительность.
51

50.

Системы охлаждения видеокарт с
удалением горячего воздуха
52

51.

Охлаждение машинного зала 80 года 20 века
53

52.

Охлаждение машинного зала 80 года 20 века
54

53.

Эффект Ж. Пельтье
• Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году.
• При пропускании электрического тока в
одном направлении капля превращалась в
лёд, при смене направления тока — лёд таял,
что позволило установить, что в зависимости
от направления протекающего в
эксперименте тока, помимо джоулева тепла
выделяется или поглощается дополнительное
тепло, которое получило название тепла
Пельтье.
• 180 ~ 500 руб. на AliExpress
55

54.

Улучшенные аэрогенные системы с
элементами Пельтье
Элемент Пельтье – «прокладка» между МП и воздушным
кулером – «тепловой насос» - принудительная передача тепла.
Эффект Пельтье поглощение или
выделение тепла в
местах контактов
разнородных
проводников в
зависимости от
направления
протекания
постоянного
электрического тока
Достоинство повышают
эффективность
теплообмена 56

55.

Гидрогенные (жидкостные) системы
Достоинство – дешевизна теплоносителя, эффективность, бесшумность
Недостатки – сложность инфраструктуры, необходимость профилактик
57

56.

58

57.

59

58.

60

59.

Суперкомпьютер МГУ “Ломоносов”
Всего в системе 10т гликоля и 40т воды
61

60.

Погружное охлаждение
(Immersion cooling)
Платы погружены в
жидкий диэлектрик –
масло.
Данная система
охлаждения снижает
энергопотребление на
90-95% по сравнению с
традиционной
жидкостной, более
экологична и скоро
может стать мировым
стандартом.
62

61.

Intel lab и Green Revolution Cooling
63

62.

Нитрогенные системы охлаждения,
используется фазовый переход - жидкость/газ
Теплоноситель - жидкий азот
Достоинство – эффективность; Недостаток - дороговизна
10л ~ 5500 р,
3,5 л ~ 1900 р.
65
Цены 2015 года

63.

110 руб./л.
66

64.

Криогенные системы (используется
фазовый переход жидкость-газ)
Система охлаждения как в бытовом
холодильнике. Теплоноситель – фреон
используется либо для охлаждения воздуха,
либо для охлаждения микросхем.
Стоимость выше, чем у чистой гидрогенной
системы
67

65.

Об эффективности систем охлаждения
Для количественной оценки эффективности системы
охлаждения
вводится
специальный
коэффициент
эффективности использования электрической мощности PUE (Power Utilization Efficiency).
PUE
(Power Utilization Efficiency- коэффициент использования
электрической мощности)
PUE - определяется в виде соотношения полной
потребляемой электрической энергии, к той энергии, которая
расходуется
непосредственно
информационным
оборудованием.
PUE = (Энергия полная)/ (Энергия информационная)
68

66.

PUE для различных систем
охлаждения
Пример: Если информационный объект
получает из электросети мощность 2 МВт,
а до информационного оборудования
доходит
только
1
МВт,
значит,
коэффициент PUE этого объекта будет
равен:
PUE = 2
Чем меньше значение PUE (чем ближе к
«1»), тем эффективнее используется
электроэнергия.
69

67.

Вопросы для самоподготовки
1. Подсистема энергообеспечения ЭВМ. Методика оценки
необходимой мощности блока питания ЭВМ. Методика
подбора блока питания.
2. Назначение, принцип работы и примеры использования
источника
бесперебойного
питания.
Основные
характеристики источников бесперебойного питания
ЭВМ, важные для обеспечения безопасности информации.
3. Подсистема охлаждения ЭВМ, используемые физические
принципы. Качественная оценка эффективности систем
охлаждения, построенных на разных физических
принципах.
4. Что такое PUE? Какие физические принципы охлаждения
лучше, в каких случаях и почему?
70