基于預(yù)防性散熱的服務(wù)器功耗優(yōu)化方法研究*

林楷智，宗艷艷，張雁南

(1.高效能服務(wù)器和存儲(chǔ)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085;2.浪潮(北京)電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司，北京 100085)

1 引言

伴隨著科技的高速發(fā)展，人類步入了信息化時(shí)代。移動(dòng)終端的愈發(fā)普及，智能穿戴設(shè)備以及社交媒體的廣泛應(yīng)用，為人們的生活提供了巨大的便利，同時(shí)也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)[1,2]。因此，對(duì)呈幾何級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理提出了更為嚴(yán)苛的要求[3,4]。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展使得這個(gè)問題迎刃而解，并為信息通信產(chǎn)業(yè)提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力，越來越多的行業(yè)通過建立數(shù)據(jù)中心來滿足數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)的需要[5,6]。

服務(wù)器以其可靠性、可用性、可擴(kuò)展性、易用性和可管理性等特點(diǎn)在數(shù)據(jù)中心扮演最核心的角色[7,8]。而服務(wù)器上電子元器件集成度以及時(shí)鐘頻率提高的同時(shí)，其物理尺寸卻在減小。元器件表面的熱流密度迅速增大，工作溫度急劇升高，這將直接影響芯片的工作性能。因此，在服務(wù)器有限的體積內(nèi)，在眾多高功耗電子元器件長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能否快速、有效地將其產(chǎn)生的熱量傳遞到外部，將直接影響服務(wù)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作效率[9]。

因此，如何高效穩(wěn)定地為服務(wù)器降溫已成為研究熱點(diǎn)。沙超群等人[10]采用吸風(fēng)式的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)，利用Flotherm熱仿真軟件對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并在35℃實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行了熱測(cè)試。張子軒[11]通過將大尺寸共模風(fēng)扇模組直接安裝在機(jī)柜上的方法提出了共享風(fēng)扇的散熱方案，同時(shí)對(duì)多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行共同散熱，減少了使用的風(fēng)扇數(shù)量，提高了散熱效率。王晶等人[12]為了提高服務(wù)器散熱效率，提出了一種熱管與水冷技術(shù)相結(jié)合的散熱方法，首先熱管將服務(wù)器內(nèi)部CPU的熱量導(dǎo)出到服務(wù)器外部，然后通過水冷將熱量帶走，并通過測(cè)試驗(yàn)證了水冷熱管散熱系統(tǒng)的有效性。為了提高2U游戲服務(wù)器的散熱效率，吳澤云[13]進(jìn)行了機(jī)構(gòu)散熱部件的選型和布局，并完成了系統(tǒng)風(fēng)道中導(dǎo)風(fēng)罩和系統(tǒng)開孔的設(shè)計(jì)，最后通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

但是，傳統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)多為通過查表法讀取當(dāng)前時(shí)刻的溫度值，再向風(fēng)扇輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，這類設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，不利于散熱效率的提高和服務(wù)器整體功耗的優(yōu)化。本文提出一種基于預(yù)防性散熱的功耗優(yōu)化控制策略PTEC(Predictive Thermal Energy Controller)，通過電流變化來預(yù)估溫度的變化趨勢(shì)，提前調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，為系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性散熱，故整體環(huán)境溫度不會(huì)有顯著的提升，這將有利于提高系統(tǒng)相關(guān)器件的工作效率，并節(jié)省因溫升所帶來的功率消耗。

2 基于預(yù)防性散熱的控制策略設(shè)計(jì)

為管控系統(tǒng)中所有關(guān)鍵電子元器件的溫度，使其滿足溫升的要求，需對(duì)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到功耗優(yōu)化的目的。散熱器是將發(fā)熱電子元器件的熱量傳導(dǎo)至周圍環(huán)境或熱沉中的熱量交換部件。裝配在PCB板上的元器件，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞至PCB板和元器件表面，再通過對(duì)流換熱傳遞至周圍環(huán)境中。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱公式為：

Q=h*A*ΔT

(1)

其中，Q為強(qiáng)迫對(duì)流的換熱量，A為散熱表面面積，ΔT為元器件表面溫度與環(huán)境溫度的差值，h是強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)。

熱阻計(jì)算公式為：

R=ΔT/P

(2)

其中，R表示熱阻，P為電子元器件功耗。當(dāng)ΔT=(Tc-Ta)時(shí)，可用于計(jì)算元器件散熱器熱阻，其中Tc為元器件與散熱器接觸位置的表面溫度，Ta為散熱器進(jìn)風(fēng)溫度;當(dāng)ΔT=(Tj-Tc)時(shí)，可用于計(jì)算芯片內(nèi)核與表面之間的熱阻，其中Tj為芯片的結(jié)溫。

但是，當(dāng)元器件無法通過自然冷卻滿足系統(tǒng)溫控要求時(shí)，需要采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。風(fēng)扇的選擇需考慮3個(gè)因素：溫差、抵消溫差所需功耗和完全消除熱量所需風(fēng)量。

在實(shí)際風(fēng)扇控制系統(tǒng)中，電子元器件工作產(chǎn)生的熱量首先傳遞至機(jī)箱內(nèi)部，然后再由風(fēng)扇將其帶出，通過熱平衡方程計(jì)算系統(tǒng)所需風(fēng)量的公式為：

(3)

其中，Q1為系統(tǒng)冷卻所需風(fēng)量，P1為系統(tǒng)發(fā)熱總功耗，ΔT1為系統(tǒng)允許溫升。

根據(jù)系統(tǒng)總體散熱量和預(yù)估的系統(tǒng)溫升，評(píng)估計(jì)算出系統(tǒng)散熱所需風(fēng)量，從而確定系統(tǒng)風(fēng)扇選型。

2.1 PTEC控制方法介紹

為了提高系統(tǒng)散熱效率，滿足服務(wù)器功耗優(yōu)化的要求，本文提出了基于PTEC的風(fēng)扇控制策略。通過監(jiān)測(cè)發(fā)熱電子元器件電流下降幅度來預(yù)估溫度下降趨勢(shì)，預(yù)先調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。利用傳感器監(jiān)測(cè)服務(wù)器中核心電子元器件電流和溫度的變化，若某元器件溫度大于所設(shè)定溫度閾值，根據(jù)該元器件電流下降的幅度，判斷其功率呈下降趨勢(shì)，并預(yù)估該器件因功率下降而產(chǎn)生溫度下降的幅度，隨后由風(fēng)扇控制芯片發(fā)出相對(duì)應(yīng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM(Pulse Width Modulation)，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；若發(fā)熱電子元器件溫度在小于所設(shè)定溫度閾值的情況下波動(dòng)，控制系統(tǒng)則不對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免因溫度的波動(dòng)而造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的頻繁調(diào)節(jié)。最后，利用PID控制器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的精確控制，在滿足散熱需求的同時(shí)也達(dá)到了功耗優(yōu)化的目的。

2.2 PTEC控制流程介紹

本文中風(fēng)扇控制系統(tǒng)的核心發(fā)熱電子元器件為NGSFF(Next Generation Small Form Factor)固態(tài)硬盤NF1。PTEC流程圖如圖1所示，具體控制流程介紹如下：

(1)給定風(fēng)扇控制芯片MCU初值和各傳感器初值。

(2)循環(huán)讀取每一個(gè)NF1存儲(chǔ)器的溫度，并比較各存儲(chǔ)器的溫度，從而得到最高溫度。

(3)判斷NF1最高溫度是否大于溫度閾值，若是，設(shè)定該NF1為參考點(diǎn)；若否，返回上一步。

(4)評(píng)估參考點(diǎn)NF1的電流趨勢(shì)，若電流呈上升趨勢(shì)，保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速并通過PID控制器基于實(shí)際溫度對(duì)PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(5)評(píng)估參考點(diǎn)NF1的電流趨勢(shì)，若電流呈下降趨勢(shì)，則根據(jù)電流下降幅度預(yù)估溫度變化，相應(yīng)地降低PWM；通過PID控制器基于實(shí)際溫度調(diào)節(jié)PWM。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文搭建了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來驗(yàn)證所提控制策略的有效性?？刂葡到y(tǒng)主要由系統(tǒng)控制板、存儲(chǔ)設(shè)備、PTEC風(fēng)扇板和6個(gè)4 056 mm風(fēng)扇組成，其中系統(tǒng)控制板主要由PM8546 PCIe Swith芯片、Aspeed 2500 BMC、CPLD、16個(gè)支持NF1的固態(tài)硬盤接口、4顆redrvier芯片以及8個(gè)mini SAS HD連接器構(gòu)成。

Figure 2 Experimental devices圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

圖3是風(fēng)扇控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先由存儲(chǔ)裝置NF1內(nèi)嵌的溫度傳感器采集溫度信息，電流傳感器PAC1720采集NF1電流信息，電流和溫度信息由I2C總線經(jīng)擴(kuò)展器PCA9546后由BMC統(tǒng)一收集，并傳輸至風(fēng)扇控制芯片PIC32MX Microchip(MCU)，隨后MCU芯片通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

Figure 3 Topology of fan control system 圖3 風(fēng)扇控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)中NF1存儲(chǔ)器讀寫時(shí)間的不確定性以及工作環(huán)境變化所帶來的差異，為了驗(yàn)證所提PTEC控制策略在各種復(fù)雜工況下的有效性，在不同周期、不同占空比以及不同溫度下分別進(jìn)行功耗驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。首先在圖2所示實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行不同周期相同占空比的功耗驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；隨后又在相同周期不同占空比與不同溫度2種實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

基于PTEC的風(fēng)扇控制系統(tǒng)中，溫度閾值設(shè)定為60℃，MCU每100 ms會(huì)更新PWM信號(hào)至風(fēng)扇,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)整，PID控制器的參數(shù)設(shè)定分別為：kp=5，ki=0.1和kd=1。3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，采用PTEC控制策略的方法檢測(cè)到電流開始下降，預(yù)估溫度下降并提前降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，進(jìn)行預(yù)防性散熱，較無PTEC的傳統(tǒng)控制方法功耗有了顯著的下降。

3.2 基于不同周期相同占空比的功耗驗(yàn)證

首先，在不同周期相同占空比下對(duì)PTEC控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，圖4～圖6分別是周期為20 s，100 s和180 s時(shí)3種不同頻率的功耗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4a是周期為20 s時(shí)，采用PTEC控制策略的方法和無PTEC的傳統(tǒng)控制方法的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及NF1功率對(duì)比曲線。因?yàn)轭A(yù)先判斷了溫度下降趨勢(shì)，調(diào)低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，故采用PTEC控制策略的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速明顯低于傳統(tǒng)控制方法，采用PTEC控制策略時(shí)NF1功率較傳統(tǒng)控制方法也有所下降。從圖4b可以看出，采用PTEC控制策略的方法的風(fēng)扇電流值明顯小于傳統(tǒng)控制方法的，在同樣12 V電壓下，風(fēng)扇總體功耗下降了27.48%。圖5a和圖6a是周期為100 s和180 s時(shí)，采用PTEC控制策略的方法和傳統(tǒng)控制方法的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和NF1功率對(duì)比曲線，隨著控制周期的增長(zhǎng)，雖然預(yù)先降低了轉(zhuǎn)速，但整體NF1功率和風(fēng)扇電流值與傳統(tǒng)控制方法較為接近，2種頻率下風(fēng)扇功耗分別下降了9.59%和5.39%。

Figure 4 Comparison of experimental verification when T=20 s圖4 T=20 s實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

Figure 5 Comparison of experimental verification when T=100 s圖5 T=100 s實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

Figure 6 Comparison of experimental verification when T=180 s圖6 T=180 s實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

為對(duì)PTEC控制進(jìn)行充分驗(yàn)證，又進(jìn)行了周期分別為40 s,60 s,80 s,120 s,140 s和160 s的功耗優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。圖7是采用PTEC控制策略的方法相比于傳統(tǒng)控制方法的功耗優(yōu)化曲線。由圖7可以看出，采用所提控制策略的方法在各個(gè)周期的風(fēng)扇功耗表現(xiàn)均優(yōu)于普通的控制方法，在周期較短時(shí)，即頻率f=0.05Hz和f=0.025Hz時(shí)，風(fēng)扇控制系統(tǒng)功耗優(yōu)化效果最為顯著，相比于傳統(tǒng)控制方法，功耗優(yōu)化率分別提高了27.48%和20.84%，隨著周期的增長(zhǎng)，功耗優(yōu)化的值也會(huì)逐漸減小，在T=160 s時(shí)，功耗優(yōu)化值僅為5.28%。

Figure 7 Comparison of power consumption with same duty cycle in different periods圖7 不同周期相同占空比功耗優(yōu)化對(duì)比圖

3.3 基于相同周期不同占空比的功耗驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證功耗優(yōu)化效果，本節(jié)在周期為80 s時(shí)，采用不同的占空比對(duì)采用PTEC控制策略的方法進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖8～圖10分別是占空比為12.5%，50%，87.5%時(shí)的功耗優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)圖。由圖8a可以看出，當(dāng)占空比較小時(shí)，采用PTEC控制策略的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和傳統(tǒng)控制方法的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有明顯不同，NF1功率較傳統(tǒng)控制方法也有所下降，由圖8b的風(fēng)扇電流對(duì)比圖可以看出，在同樣12 V電壓下風(fēng)扇功耗降低了7.66%。

Figure 8 Comparison of experimental verification with duty cycle of 12.5%圖8 占空比為12.5%實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

圖9和圖10分別是占空比為50%和87.5%時(shí)采用PTEC控制策略的驗(yàn)證曲線。從圖9a可以看出，占空比為50%時(shí)，通過評(píng)估參考點(diǎn)NF1的電流趨勢(shì)，當(dāng)電流呈下降趨勢(shì)時(shí)，根據(jù)電流下降幅度預(yù)估溫度，相應(yīng)地調(diào)低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。從圖9b中的采用PTEC控制策略的方法和傳統(tǒng)控制方法的電流對(duì)比圖可以看出，功耗優(yōu)化效果較為明顯，達(dá)到了14.52%。而圖10中，當(dāng)占空比為最高的87.5%時(shí)，采用PTEC控制策略的方法的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、NF1功率以及風(fēng)扇電流都與傳統(tǒng)控制方法接近，風(fēng)扇功耗優(yōu)化值僅為0.68%。

Figure 9 Comparison of experimental verification with duty cycle of 50%圖9 占空比為50%實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

Figure 10 Comparison of experimental verification with duty cycle of 87.5%圖10 占空比為87.5%實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

圖11是風(fēng)扇控制系統(tǒng)工作周期固定為80 s，當(dāng)占空比分別為12.5%，25%，37.5%，50%，62.5%，75%和87.5%時(shí)，采用PTEC控制策略的方法的風(fēng)扇功耗與傳統(tǒng)控制方法風(fēng)扇功耗的對(duì)比折線圖。由圖11可以看出，占空比過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致采用PTEC控制策略時(shí)功耗優(yōu)化效果降低，而當(dāng)占空比為37.5%和50%時(shí)，功耗優(yōu)化效果最為顯著，分別達(dá)到了14.71%和14.52%。

Figure 11 Comparison of power consumption of different duty cycles圖11 不同占空比功耗優(yōu)化對(duì)比圖

3.4 不同溫度下的功耗驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提PTEC控制方法的有效性，在20℃,25℃,30℃和35℃ 4種不同環(huán)境溫度下，在周期為20 s、占空比為50%，以及周期為80 s、占空比為25%時(shí)分別進(jìn)行采用PTEC控制策略的方法和傳統(tǒng)控制方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖12～圖15分別為4種不同溫度下周期為20 s占空比為50%時(shí)，基于PTEC控制策略的方法與傳統(tǒng)控制方法的NF1功率、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及電流的對(duì)比圖。

Figure 12 Comparison of experimental verification at 20℃圖12 20℃時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

由圖12a可以看出，PTEC控制方法在20℃的環(huán)境下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和傳統(tǒng)控制方法轉(zhuǎn)速有較大差異；從圖12b的電流對(duì)比圖可以看出，在同樣12 V電壓下，功耗優(yōu)化值僅為13.56%。

Figure 13 Comparison of experimental verification at 25℃圖13 25℃時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

Figure 14 Comparison of experimental verification at 30℃圖14 30℃時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

Figure 15 Comparison of experimental verification at 35℃圖15 35℃時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比圖

從圖13～圖15可以看出，隨著溫度的升高，采用PTEC控制策略的方法的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速明顯低于傳統(tǒng)控制方法下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。從電流對(duì)比曲線可知，功耗優(yōu)化的值會(huì)隨著溫度的升高而逐漸提高，在25℃,30℃和35℃度分別達(dá)到了27.48%，35.79%和39.52%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證PTEC功耗優(yōu)化效果，本節(jié)還進(jìn)行了周期為80 s、占空比為25%的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。圖16是周期為20 s、占空比為50%和周期為80 s、占空比為25%時(shí)在4種不同溫度下的功耗優(yōu)化折線圖。從圖16可以看出，隨著溫度的提高，功耗優(yōu)化的效果更加明顯，周期為20 s、占空比為50%以及周期為80 s、占空比為25%時(shí)PTEC控制方法功耗優(yōu)化值在35℃相對(duì)于在20℃時(shí)分別提高了25.96%和16.12%；同時(shí)也驗(yàn)證了，隨著風(fēng)扇工作頻率的升高，功耗優(yōu)化的效果也更加明顯。

Figure 16 Comparison of power consumption at different temperatures圖16 不同溫度功耗優(yōu)化對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文提出一種基于預(yù)防性散熱的功耗優(yōu)化控制策略對(duì)服務(wù)器的功耗進(jìn)行優(yōu)化，通過評(píng)估參考點(diǎn)的電流變化來預(yù)測(cè)NF1溫度變化的趨勢(shì)，然后發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)來預(yù)先調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到功耗優(yōu)化的目的。隨后搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了驗(yàn)證PTEC控制策略在不同工況下的有效性，針對(duì)控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇功耗優(yōu)化問題，設(shè)計(jì)不同周期相同占空比、相同周期不同占空比以及不同溫度3組實(shí)驗(yàn)來對(duì)所提控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)中NF1工作頻率越高即周期越小時(shí)，功耗優(yōu)化效果越好；在周期相同而占空比不同的情況下，當(dāng)占空比接近50%時(shí)，功耗優(yōu)化效果最好；在不同溫度下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，隨著工作環(huán)境溫度的提高，本文所提PTEC功耗優(yōu)化控制效果越好，驗(yàn)證了控制策略的有效性。與此同時(shí)，除對(duì)文中所提實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足散熱需求的同時(shí)也能達(dá)到較好的功耗優(yōu)化效果外，針對(duì)不同種類的服務(wù)器以及不同的核心發(fā)熱電子元器件，PTEC控制策略皆可推廣使用。