IBM BladeCenter实现高密度的秘诀

作者简介：周劼IBM资深售前技术支持工程师，在企业级服务器及网络通讯领域有丰富的设计和支持经验,获得过CNE,MCSE,CCNP以及IBM服务器高级技术专家等认证
前言
电源和散热的设计是刀片服务器设计时遇到的最大挑战,同时也是刀片服务器对工业标准服务器设计的重要革新。IBM凭借其在企业级服务器市场的多年积累以及对技术创新的不懈追求,成功地设计出了IBM BladeCenter系列产品,成为刀片行业的领导者和典范。
卓越的电源和散热设计,使得IBM BladeCenter成为最高密度的Intel服务器,成为集成度最高的Intel服务器,是满足未来基础架构要求的最好服务器平台。
本文简要的介绍了IBM的研发工程师在设计电源和冷却系统时面对的挑战及极具创造性的解决方案。
电源设计
电源设计需要满足以下要求:
 尽量小体积的电源模块,同时尽量采用通用的封装和接口模式,以及目前常用的供电方式,从而最大利用客户的现有电源供电系统
 可并行运行,在一个电源模块出现故障时,剩下的一个电源模块仍然能够给指定的电源区域供电。而在两个电源模块工作时均衡输出负载
 容易使用的,可热插拔的模块化电源设计
 更高的AC到DC转换效率,降低能耗的同时也降低电源散热的要求
 采用I2C总线和系统管理模块连接,以实现对电源模块的控制和状态信息查询
因此电源系统被设计为最多可安装四个电源模块,在BladeCenter上,电源模块提供从单相(三线)交流电到12V直流电的转换,每个电源模块可提供2000W的输出。四个电源被分到两个独立的供电区域中,提供1+1的冗余。
不同于通用机柜式服务器采用的分布式电源设计:每台服务器都有自己的电源模块。也不同于其他品牌刀片服务器采用的电源环路设计。IBM BladeCenter的电源设计具有以下优势:
 采用集中供电方式,电源模块的电源转换效率更高,可靠性也更好
 目前业界最高的AC到DC转换效率,同时特殊设计使得电源在低负载下也能实现高效率的电源转换
 采用1+1冗余方式。安装和配置简单,同时避免了电源环路设计中可能出现的一个电源模块故障导致整个电源系统DC输出失效的灾难性事故
12V直流电源输出被分配到各个处理器刀片和模块,再在负载点通过电压转换模块转换为相应的电压输出供应给特定的设备使用。采用12V的配电设计使得系统可以采用技术更先进,具有更高效率的电压转换模块。该电源模块的电源密度,是同时期其他工业标准服务器电源的两倍,同时电源转换效率比其他工业标准服务器高5%。

图一 IBM BladeCenter电源分配设计

如上图所示,刀片中心的内部供电被设计为两个区域,区域A和区域B,各由一组冗余的电源模块供电。每个系统组件至少有两路冗余的直流输入。结合全冗余的I/O链路设计,是业界唯一一个在满配置情况下也能满足电源和I/O链路全冗余的刀片服务器设计。
区域A由电源模块1和电源模块2组成。为以下系统组件提供电源:1到6号处理器刀片,鼓风机1和2,1到4号交换模块,管理模块1和2,多媒体托盘,前部和后部操作面板。
区域B由电源模块3和4组成,为7到14号处理器刀片供电。因此当处理器刀片少于7台时,可以不用在区域B安装电源模块。
在处理器刀片内部还设计有电源控制电路和传感器,配合固件中的系统管理功能,可以更加有效的管理电源,以及利用处理器的节能特性。这些功能现在被包含在业界最强大的系统电源工具:IBM PowerExective中。
由于在7U的空间中安装了14台双路处理器刀片,管理模块,交换模块和鼓风机,因此一个IBM BladeCenter的交流输入可能达到5KW。如果在一个42U企业级机柜中安装6个IBM BladeCenter,将有可能需要超过30KW的交流电源输入。IBM提供高密度的三相60安培电源分配单元,可以提供给BladeCenter足够的供电。
由于采用了多项创新的电源设计,IBM BladeCenter的功耗,相比IBM自己的1U服务器功耗要少25%。相比其他1U服务器,最大能节约57%的能耗。

散热设计
IBM刀片服务器极大地提高了服务器密度,同时带来了一个更严峻的问题:散热。
IBM刀片服务器在笔记本电脑大小的空间里,却集成了大量企业级部件:处理器,内存,硬盘和I/O设备等。是目前企业级Intel服务器所能达到的最高密度。对散热系统的要求也远远高于其他任何Intel服务器。
IBM大量采用矢量散热技术,精心设计系统组件的布局以及空气的流动方向和密度,速度,以及在Intel服务器上首先采用新的散热设备,完美地解决了刀片服务器的散热问题。
如下图所示,整个系统的散热设计遵循了企业级服务器的散热设计原则:冷空气从机柜的前部吸入,首先给系统最重要的部件:CPU散热。然后冷风会带走内存产生的热量,接着是给位于处理器刀片最后位置的内部存储设备和I/O卡散热。散热的顺序完全按照部件的重要程度和对散热的要求进行合理排列。
在IBM BladeCenter机箱的后部,风被分成三部分,一部分风进入空腔C被鼓风机直接排出机箱。其余的风分别进入位于机箱上下部的空腔A和B,对管理模块,电源,交换模块散热。然后再进入空腔C被鼓风机排出。

图二 IBM BladeCenter冷却风路设计

为了达到散热要求,IBM创造性地采用了两个鼓风机作为整个BladeCenter系统的散热设备,而不是传统Intel服务器所采用的大量小风扇。鼓风机相比风扇,能够提供更快的风速以及更大的排风量,帮助系统排出更多的热量,能源转换效率更高。同时鼓风机的可靠性更高,IBM BladeCenter采用的鼓风机在连续工作5年以上时间内的故障率低于10%。
鼓风机的转速完全由管理模块动态控制。平时以低速工作,当出现温度过高报警时,管理模块会控制鼓风机提高转速,从而排出更多的热量。
在CPU散热器的设计上,刀片服务器更采用了蒸气腔散热技术以及大量采用铜散热片,同时散热片具有更大的散热表面积设计。从而大大缩小了CPU散热器的体积。
前面提到,在一个42U标准企业级机箱中最多可安装6台IBM BladeCenter,一个机柜最大将达到30KW的耗电,因此机房的散热也是一个大问题。
IBM提供了后门热交换机柜,采用工业标准的水冷装置和连接设备。比冷气空调散热方式更加节能和高效,散热成本更低。能帮助一个机柜散热达50000BTU。
总结
事实证明,IBM的工程师们的设计是相当成功的。 在他们七年前开始设计这些机箱的时候,还没有人能预见双核甚至四核的CPU会这么快的普及。 然而,正式由于他们前瞻性的工作,使得IBM的第一代机箱经历了5年的考验,今天仍然是是市场的主流产品。 无论是当初的 2。0GHz/400MHZ FSB的Xeon处理器,还是今天最新的Intel双核5100甚至四核5300系列; 抑或AMD Opteron 2000和8000系列处理器, 统统纳入“怀”中。 IBM在计划该产品至少销售到2009年以后,在变化如此迅速的IT行业, 生命周期能超出7年,堪称是一个经典的产品! 这也再次证明它在电源和冷却设计方面的成功。
（作者简介：周劼 IBM资深售前技术支持工程师，在企业级服务器及网络通讯领域有丰富的设计和支持经验,获得过CNE,MCSE,CCNP以及IBM服务器高级技术专家等认证）

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