添加熱監(jiān)控電路降低數(shù)據(jù)中心的能耗

摘要：精確的自適應(yīng)熱管理功能對(duì)于數(shù)據(jù)中心以及其它溫度敏感環(huán)境下高效的能耗管理非常關(guān)鍵。本文詳細(xì)介紹了利用1-Wire®技術(shù)管理環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的方案，能夠使功耗降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

所面臨的挑戰(zhàn)：降低數(shù)據(jù)中心的功耗

具EPA統(tǒng)計(jì)，2006年數(shù)據(jù)中心的能源消耗占整個(gè)美國(guó)電力消耗的1.5% (610億kWh)¹。令人吃驚的是，IT設(shè)備本身的消耗只占該項(xiàng)電力消耗的一半；電源和致冷設(shè)備的能耗占用了另一半。然而，到目前為止，人們?nèi)詫p小數(shù)據(jù)中心能耗的注意力集中在問題的第一部分：IT設(shè)備中芯片和元器件的能效。

為了有效降低數(shù)據(jù)中心的整體能耗，當(dāng)務(wù)之急是降低致冷設(shè)備的能耗。采用智能致冷設(shè)備能夠提供更高的功率密度，而且無需建立額外的數(shù)據(jù)中心。此外，還可以在降低電費(fèi)的同時(shí)大大減少碳排放量。

 

傳統(tǒng)致冷設(shè)備對(duì)能源的浪費(fèi)

數(shù)據(jù)中心或其它溫控環(huán)境下并不能將整個(gè)空間保持在相同的環(huán)境溫度。整個(gè)空間的縱向和橫向溫度變化非常顯著，具體取決于周圍設(shè)備是否處于工作狀態(tài)、空氣的流通條件。另外，計(jì)算機(jī)機(jī)房空調(diào)(CRAC)的冷卻區(qū)域經(jīng)常重疊，導(dǎo)致了冷卻冗余。簡(jiǎn)單地說，由于缺乏智能化的熱管理功能，重復(fù)性的區(qū)域致冷導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心浪費(fèi)了大量功率。

識(shí)別需要降溫的區(qū)域是降低數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并非易事。復(fù)雜的布線以及眾多的溫度傳感器接口增大了管理大量溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的難度。由此可見，多點(diǎn)溫度監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)智能化管理的關(guān)鍵。

 

多點(diǎn)溫度測(cè)量的有效方案

多點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)合適當(dāng)?shù)臏囟葦?shù)據(jù)處理，能夠優(yōu)化環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)省功耗、降低成本的目的。在不增加復(fù)雜的布線開銷的前提下實(shí)施這一系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以利用多種技術(shù)—例如：基于Zigbee®或其它無線標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也可以采用簡(jiǎn)單的串行接口有線數(shù)據(jù)傳輸方案，例如：Maxim的1-Wire技術(shù)。1-Wire系統(tǒng)能夠?qū)⑺袀鞲衅鞯臄?shù)據(jù)通過單條連線傳輸，一般可以使用服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)中CAT5網(wǎng)絡(luò)電纜的空閑線對(duì)。

無線方案比較容易安裝，因?yàn)楹苌儆玫叫碌倪B線(只有一個(gè)插入本地電源的插頭，為模塊供電)。但是，目前這種架構(gòu)中每個(gè)傳感器模塊的花費(fèi)大約為$10甚至更高，這樣的話，將使數(shù)據(jù)中心的開銷增加數(shù)千到數(shù)萬美元。另一方案是采用簡(jiǎn)單的1-Wire串行接口有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以采用寄生供電(每節(jié)點(diǎn)小于1mA)，保證每節(jié)點(diǎn)的花費(fèi)僅為幾個(gè)美元。

1-Wire接口能夠解決大規(guī)模的多點(diǎn)溫度傳感器陣列的復(fù)雜布線問題(圖1)²。利用1-Wire技術(shù)，能夠通過一對(duì)低成本的雙絞線(例如CAT5電纜)掛接多個(gè)傳感器，這些傳感器可以分布在機(jī)柜或房間內(nèi)。每個(gè)傳感器或每組傳感器的溫度數(shù)據(jù)按照1-Wire協(xié)議以數(shù)字形式傳送到主機(jī)處理器。


詳細(xì)圖片(PDF, 50kB)
圖1. 通過添加1-Wire數(shù)字溫度傳感器(如DS28EA00)網(wǎng)絡(luò)，高效監(jiān)測(cè)多個(gè)位置并控制致冷設(shè)備，有效改善服務(wù)器群的能量管理。
 

識(shí)別溫度傳感器的位置

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心的多個(gè)溫度點(diǎn)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作，如何將指定的傳感器測(cè)量與其物理位置聯(lián)系起來? 任何手動(dòng)配置方法都耗時(shí)較長(zhǎng)，而且昂貴并容易出錯(cuò)。鏈路工作模式是1-Wire溫度傳感器應(yīng)用中的新方案，能夠有效解決這一問題(圖2)。

所有的1-Wire溫度傳感器都具有工廠設(shè)置的、唯一并且不可更改的64位ID序列號(hào)，1-Wire主控制器能夠讀取該值?；贛axim獨(dú)特的1-Wire溫度傳感器，DS28EA00增加了兩個(gè)額外引腳，用于順序檢測(cè)(如鏈路模式)。利用DS28EA00的鏈路模式，在多點(diǎn)配置中，1-Wire主控制器可以讀取傳感器的注冊(cè)碼并將其與每個(gè)器件的物理位置相關(guān)聯(lián)。如果不使用順序檢測(cè)功能，這兩個(gè)引腳可用作通用的輸入和輸出。


圖2. DS28EA00為典型的1-Wire網(wǎng)絡(luò)引入鏈路模式功能

因此，在多點(diǎn)溫度傳感器配置中，鏈路模式為主機(jī)控制器提供計(jì)算機(jī)控制功能以及全自動(dòng)地確定每個(gè)器件唯一ID的排序位置。順序排列的ID信息直接與多點(diǎn)溫度傳感器陣列的物理架構(gòu)相對(duì)應(yīng)，由此對(duì)應(yīng)于機(jī)柜內(nèi)的每個(gè)傳感器的物理位置³。利用DS28EA00 64位ID與機(jī)柜物理位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)可以利用其環(huán)境控制算法測(cè)量存儲(chǔ)塔內(nèi)不同高度和/或位置的溫度。

 

寄生供電

為溫度傳感器陣列供電會(huì)增加溫度傳感器分布的復(fù)雜性和成本。幸運(yùn)的是，1-Wire溫度傳感器可以通過單條數(shù)據(jù)線由寄生電源供電。實(shí)際上，這種寄生供電模式是1-Wire產(chǎn)品的一個(gè)基本特性。

對(duì)于IC而言，每個(gè)1-Wire器件或傳感器內(nèi)部具有從1-Wire數(shù)據(jù)波形捕獲并存儲(chǔ)電荷的電路。當(dāng)1-Wire總線處于邏輯0狀態(tài)(例如發(fā)送數(shù)據(jù)0)時(shí)，傳感器從捕獲的電荷獲得供電電源。需要注意的是，實(shí)際溫度測(cè)量和量化操作所需要的能量高于內(nèi)部寄生電源電路能夠存儲(chǔ)的能量，因此，采用寄生電源供電時(shí)，1-Wire總線必須在溫度轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持邏輯1狀態(tài)。沒有使用寄生供電時(shí)不受這一條件的約束：在靠近傳感器位置連接電源，提供外部供電(例如，DS28EA00具有一個(gè)VCC引腳，可以為IC提供電源)。
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精確、可靠的測(cè)量

精確的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的基本要求是高精度溫度測(cè)量，對(duì)于數(shù)據(jù)中心工作環(huán)境而言，典型的溫度測(cè)量精度要求是±1°C甚至更高。1-Wire溫度傳感器，如DS28EA00，具有±0.5°C的測(cè)量精度，高于基本的性能要求。

DS28EA00還具有類似于溫度調(diào)節(jié)的功能，用戶可編程溫度測(cè)量報(bào)警門限，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，器件的通用I/O引腳可用于接通或關(guān)閉聲、光指示器，例如LED或蜂鳴器，用于通報(bào)超出溫度范圍的狀態(tài)(圖3)。


圖3. DS28EA00由溫度傳感器、鏈路模式檢測(cè)、GPIO、報(bào)警功能以及1-Wire接口組成，采用8引腳小外形封裝(µSOP)，能夠工作在寄生電源和外部電源。

在典型的服務(wù)器群中，每個(gè)機(jī)架放置多個(gè)服務(wù)器，可能需要多個(gè)溫度傳感器。這些傳感器和其它機(jī)架的傳感器將溫度讀數(shù)傳送到監(jiān)測(cè)服務(wù)器群的主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的致冷。同時(shí)，利用它們內(nèi)部的報(bào)警功能，每個(gè)1-Wire傳感器可以控制本地指示器、報(bào)警器和/或溫度子系統(tǒng)，啟動(dòng)本地致冷。

 

多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)降低30%的致冷能量

一家大型服務(wù)器系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)利用DS28EA00構(gòu)建了一套這樣的系統(tǒng)。投入運(yùn)行后，公司指出數(shù)據(jù)中心致冷設(shè)備的能耗降低30%。截至目前，他們節(jié)省的能量已超過兩百萬kWh/年，相當(dāng)于CO2在大氣中的排放量降低了1300噸/年。

 

結(jié)論

數(shù)據(jù)中心致冷設(shè)備的能耗已經(jīng)達(dá)到總能耗的一半。因此，智能化的熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為有效降低數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵。

DS28EA00 1-Wire溫度傳感器為構(gòu)建先進(jìn)的熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)高性價(jià)比方案，能夠滿足二十一世紀(jì)的現(xiàn)代化應(yīng)用需求，例如：高效的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)表明，多點(diǎn)溫度檢測(cè)能夠提供更高效的監(jiān)控，優(yōu)化系統(tǒng)的整體管理并顯著降低了整體功耗。