添加熱監(jiān)控電路降低數(shù)據(jù)中心的能耗

摘要：精確的自適應熱管理功能對于數(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鍵。本文詳細介紹了利用1-Wire®技術管理環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的方案，能夠使功耗降低兩個數(shù)量級。

 

所面臨的挑戰(zhàn)：降低數(shù)據(jù)中心的功耗

具EPA統(tǒng)計，2006年數(shù)據(jù)中心的能源消耗占整個美國電力消耗的1.5% (610億kWh)¹。令人吃驚的是，IT設備本身的消耗只占該項電力消耗的一半；電源和致冷設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，當務之急是降低致冷設備的能耗。采用智能致冷設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，還可以在降低電費的同時大大減少碳排放量。

 

傳統(tǒng)致冷設備對能源的浪費

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

識別需要降溫的區(qū)域是降低數(shù)據(jù)中心能耗的關鍵。當然，實現(xiàn)這一目標并非易事。復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量節(jié)點的難度。由此可見，多點溫度監(jiān)控是實現(xiàn)智能化管理的關鍵。

 

多點溫度測量的有效方案

多點溫度測量結(jié)合適當?shù)臏囟葦?shù)據(jù)處理，能夠優(yōu)化環(huán)境溫度控制系統(tǒng)的設計，達到節(jié)省功耗、降低成本的目的。在不增加復雜的布線開銷的前提下實施這一系統(tǒng)，設計人員可以利用多種技術—例如：基于Zigbee®或其它無線標準的無線傳感器網(wǎng)絡，也可以采用簡單的串行接口有線數(shù)據(jù)傳輸方案，例如：Maxim的1-Wire技術。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，一般可以使用服務器基礎架構(gòu)中CAT5網(wǎng)絡電纜的空閑線對。

無線方案比較容易安裝，因為很少用到新的連線(只有一個插入本地電源的插頭，為模塊供電)。但是，目前這種架構(gòu)中每個傳感器模塊的花費大約為$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)點小于1mA)，保證每節(jié)點的花費僅為幾個美元。

1-Wire接口能夠解決大規(guī)模的多點溫度傳感器陣列的復雜布線問題(圖1)²。利用1-Wire技術，能夠通過一對低成本的雙絞線(例如CAT5電纜)掛接多個傳感器，這些傳感器可以分布在機柜或房間內(nèi)。每個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)字形式傳送到主機處理器。


詳細圖片(PDF, 50kB)
圖1. 通過添加1-Wire數(shù)字溫度傳感器(如DS28EA00)網(wǎng)絡，高效監(jiān)測多個位置并控制致冷設備，有效改善服務器群的能量管理。
 

識別溫度傳感器的位置

監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的多個溫度點是一項極具挑戰(zhàn)的工作，如何將指定的傳感器測量與其物理位置聯(lián)系起來? 任何手動配置方法都耗時較長，而且昂貴并容易出錯。鏈路工作模式是1-Wire溫度傳感器應用中的新方案，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置的、唯一并且不可更改的64位ID序列號，1-Wire主控制器能夠讀取該值?；贛axim獨特的1-Wire溫度傳感器，DS28EA00增加了兩個額外引腳，用于順序檢測(如鏈路模式)。利用DS28EA00的鏈路模式，在多點配置中，1-Wire主控制器可以讀取傳感器的注冊碼并將其與每個器件的物理位置相關聯(lián)。如果不使用順序檢測功能，這兩個引腳可用作通用的輸入和輸出。


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

因此，在多點溫度傳感器配置中，鏈路模式為主機控制器提供計算機控制功能以及全自動地確定每個器件唯一ID的排序位置。順序排列的ID信息直接與多點溫度傳感器陣列的物理架構(gòu)相對應，由此對應于機柜內(nèi)的每個傳感器的物理位置³。利用DS28EA00 64位ID與機柜物理位置的對應關系，系統(tǒng)可以利用其環(huán)境控制算法測量存儲塔內(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增加溫度傳感器分布的復雜性和成本。幸運的是，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。實際上，這種寄生供電模式是1-Wire產(chǎn)品的一個基本特性。

對于IC而言，每個1-Wire器件或傳感器內(nèi)部具有從1-Wire數(shù)據(jù)波形捕獲并存儲電荷的電路。當1-Wire總線處于邏輯0狀態(tài)(例如發(fā)送數(shù)據(jù)0)時，傳感器從捕獲的電荷獲得供電電源。需要注意的是，實際溫度測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的能量，因此，采用寄生電源供電時，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VCC引腳，可以為IC提供電源)。
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精確、可靠的測量

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量，對于數(shù)據(jù)中心工作環(huán)境而言，典型的溫度測量精度要求是±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，用戶可編程溫度測量報警門限，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。另外，器件的通用I/O引腳可用于接通或關閉聲、光指示器，例如LED或蜂鳴器，用于通報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、GPIO、報警功能以及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。

在典型的服務器群中，每個機架放置多個服務器，可能需要多個溫度傳感器。這些傳感器和其它機架的傳感器將溫度讀數(shù)傳送到監(jiān)測服務器群的主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的致冷。同時，利用它們內(nèi)部的報警功能，每個1-Wire傳感器可以控制本地指示器、報警器和/或溫度子系統(tǒng)，啟動本地致冷。

 

多點溫度監(jiān)測降低30%的致冷能量

一家大型服務器系統(tǒng)供應商已經(jīng)利用DS28EA00構(gòu)建了一套這樣的系統(tǒng)。投入運行后，公司指出數(shù)據(jù)中心致冷設備的能耗降低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)中心致冷設備的能耗已經(jīng)達到總能耗的一半。因此，智能化的熱監(jiān)測系統(tǒng)成為有效降低數(shù)據(jù)中心能耗的關鍵。

DS28EA00 1-Wire溫度傳感器為構(gòu)建先進的熱監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個高性價比方案，能夠滿足二十一世紀的現(xiàn)代化應用需求，例如：高效的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)表明，多點溫度檢測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。