CN100593769C - 机架安装的计算机设备 - Google Patents

Abstract

一种机架安装的计算机设备，包括：机架；电源，其被安装在所述机架的上部；以及多个计算机，其被安装在所述电源的下方，其中所述电源被配置为给至少两个所述多个计算机提供直流电，所述电源包括两个或多个直流电模块，所述模块被配置为提供故障修复保护，以及多个电压步降转换器，其中每个所述电压步降转换器被电连接到所述电源和至少一个所述多个计算机。

Description

机架安装的计算机设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年5月16日提交的名为“COMPUTER RACK WITHPOWER DISTRIBUTION SYSTEM”的美国临时申请No.60/471,430(Attorney Docket No.44345-30010.00)的优先权，其整体在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及一种在给定区域内配置和提供计算机的方式，所述方式为了保存空间，并处理相关于容纳大量计算机的冷却问题。本发明的各方面有助于提高提供计算机的密度，特别在网络服务器或主机环境中。尤其是，可以使用这样的电源单元，所述单元用于支持计算机机架中多个计算机的电力需求，来改善对计算机机架中放置的多计算机系统的散热。

背景技术

在过去十年中，信息技术已经飞速发展，例如服务器场和服务器组的计算机网络中心的作用对于我们的社会来说已经变得日益重要。服务器场提供有效的数据存储和数据分配能力，所述数据分配能力支持全球的信息基础设施，所述设施已经支配着我们的生活方式和日常商业行为。

服务器场是一组或一群充当服务器的计算机，其被一起容纳在单个位置。例如，Web服务器场可以是具有一个以上服务器的Web场地，也可以是利用多个服务器提供Web托管服务的Internet服务提供商。在商用网络中，服务器场或组可以实现这样的服务，如提供集中的访问控制、文件访问、打印共享、以及工作站用户的备份。

为了利用规模经济效应，在过去十年中，服务器场中寄宿的计算机数不断增长。这导致了日益增加的对容纳网络主机单元的空间的需求、以及整合(consolidation)它们所处空间的需求。已知为同一地点场地的场地已经出现以满足该市场要求，其中多个网络计算机找到寄宿空间(home)。在这种场地通常出租用于所述计算机的空间。租金的计算可以基于全部占用空间、电力消耗以及占用所述空间的计算机处理的带宽。由于这些因素之间的相互关系，在给定站点同时最大化计算机的密度和运行效率，这通常同时有利于同一地点场地和计算机服务提供商。通过增加在给定区域内容纳计算机的密度，当对于给定数量的计算机需要较少的空间时，服务提供商可以从中受益；由于可以大量增加与可用空间相关的最终可用带宽，因此同一地点场地也可以受益。

其它不太明显的利益来源于节省主机占用的空间。在许多情况下，提前撤出其它过时的主机是经济可行的，因为所述过时主机的空间占用费用较低，从而调整它们在一段时间内的连续服务。另一方面，当优选只保留服务器中的高端计算机时，明显的是，在不影响其性能的条件下，通过最小化这些计算机的尺寸节省了费用。这样，需要一种适于实现这些优点的计算机系统。

通常，在将大量计算机连接到网络的场地，将计算机堆叠在机架中、并以重复的行或单元排列。为了维修、升级硬件、装载软件、连接电缆、接通或关闭电源等，接触计算机是不可避免的。通过尽可能减小接触空间，可以增加计算机系统的密度，所述计算机系统被设置在一处的给定建筑面积上。因此，这需要减少无关的接触空间，而仍然保持使用相对便宜、标准的(或大于或小于标准尺寸)机架。

在目前的市场中，广泛应用的标准机架尺寸是约19英寸宽、30英寸深和74英寸高。在至少一个同一地点场地中，这些机架被成行排列并具有约10-30个单元，并且在机架的每个侧面上具有接触门。在行的两面上设置接触通道。在多个机架上放置安装在滑动器上的笨重的计算机，通过设置在机架的正面和背面上的安装孔附接所述滑动器。无论计算机的机箱设计(或者是无机架，其中只是将计算机安装在开放托架上，而未覆盖其部件)、以及其被安装到机架的方式，都可以从正面访问计算机中的数据设备。主板I/O设备、其它I/O设备、电源线等这些项通常从背面访问。对于该后一设计方案，其不仅导致所需接触空间量的无效率，还导致与必须管理对计算机两面的维护相关的频繁的无效率。因此，需要一种可用于网络设置中的计算机，其可以从单面接触并全面维护。

几年来已经提出了多种堆叠计算机的解决方法。在以下文献中公开了这类设备的实例：1995年10月24日颁发给Hastings等的名为“RACK-MOUNTED COMPUTER APPARATUS”的美国专利5,460,441；2000年6月20日颁发给Gallagher等的名为“PARTITIONABLECABINET”的美国专利6,078,503；2001年10月9日颁发给Laughlin等的名为“SYSTEM AND METHOD OF DISTRIBUTING POWER TO APLURALITY OF ELECTRONIC MODULES HOUSED WITHIN ANELECTRONIC CABINET”的美国专利6,301,095 Bl；2002年12月17日颁发给Coglitore等的名为“HIGH DENSITY COMPUTER EQUIPMENTSTORAGE SYSTEM”的美国专利6,496,366 B1；2002年5月23日公开的Fung等的名为“DYNAMIC POWER AND WORKLOADMANAGEMENT FOR MULTI-SERVER SYSTEM”的美国专利公开2002/0062454 Al；2002年9月26日公开的Rasmussen等的名为“ADJUSTABLE SCALEABLE RACK POWER SYSTEM ANDMETHOD”的美国专利公开US 2002/0134567 Al；2003年1月23日公开的Raynham的名为“SEVER SYSTEM WITH REMOVABLE SERVERCARTRIDGES”的美国专利公开US 2003/0016504 Al；以及2003年2月13日公开的Garnett等的名为“COMPUTER SYSTEM”的美国专利公开US 2003/0030988；其整体在此引用作为参考。

由于服务器场中的计算机数量的增加，两个相抵触的因素起作用：占地面积的消耗和散热/通风管理。在给定服务器场中增加计算机数而不增加计算机密度，意味着需要更多空间。由于尤其在人口密度高的城区，房产成本持续上涨，因此强烈地希望最大化利用给定的空间。而且，在某些现有服务器场的设施中，没有更多的可用空间用于可扩展发展。在这种情况下，为了扩展就必须承担新开设服务器场的费用。

可选的是，可以尝试增加容纳在给定空间内的计算机数量。为了显著增加给定空间内的计算机密度，一个通常的方案是缩小机架中各每个单独计算机的尺寸。另一个可选方案是减小装有计算机堆叠的机架之间的间隔。

然而，随着计算机密度的增大，与散热有关的问题指数增加。电子元件故障的一个主要原因就是过热。例如CPU的高性能的电子元件产生大量热量。而且，随着计算需求的增加，下一代处理器会产生更多热量。这样产生了对有效散热的进一步要求。为了使计算机持续正常运行，就必须提供合适的散热途径。由于每个计算机包含上千个发热的电子部件，当增加计算机密度，必须解决提供合适的冷却机制的难题，以便从单个计算机节点和整个组中移走热量。

相对于计算单元中的其它电子元件，电源也产生大量热量，将电源分布在计算机机架中的各个计算单元中的传统结构，在控制在单个计算机节点级以及组级中的热量水平中存在许多缺陷。电源在其中放置单独的计算单元的计算机机架中的每一层都产生大量热量。为了冷却电源，通常设置单独的风扇以移走电源周围的热量。电源风扇自身将产生额外的热量。因为热空气由于其浮力上升，在计算机机架下部层或槽中的电源产生的热量将必然通过或环绕位于其上方的计算单元，而这些计算单元自身也具有过多的热量需要被移走，因为它们自身的电源和电子元件也产生热量。

多计算机平台的计算机系统在机架中的每个单独计算单元的效率和作为整体的计算系统的效率两个方面都可以提供显著的优势，所述系统在计算机机架中重新分配电源，并促进从放置在计算机机架中的每个单独的计算单元移走热量。由于对发热的控制和冷却大量计算机的能力是增加给定区域内计算机密度的能力的主要限制，因此获得具有改善的发热控制结构的计算机机架可以克服该问题，并允许计算机操作员在给定空间内放置更多计算机机架。另外，当将电源从单个计算机节点中移走时，可以使用额外的空间来容纳其它设备或部件，从而改进了服务器场的整体密度。

因此，一种允许更高计算机密度、并同时改善对计算机组的散热(例如改善热通风和对计算机部件的冷却)的技术方案，可以给服务器场的运行带来显著的经济效益。

发明内容

这里描述了一种计算系统，其包括容纳在计算机机架、框架、机箱或机柜中的多个计算单元，其中在计算系统中提供有电源单元或设备，用于分配电源以支持机架中的各个计算单元。优选，将所述电源系统设置在计算机机架上部。尤其优选的是，将所述电源单元设置在计算机机架的顶部或其上方。

在本发明的一个方面中，将电源集中在或靠近计算机机架的顶部。优选，将电源设置在计算机机架中的所有计算单元的上方。可以将位于计算机机架上部的集中电源单元配置为一个功能单元，并给机架中的所有计算单元提供电力。可选的是，集中电源单元可以包括两个或更多的模块，其中每个模块给机架中的计算单元的子集提供电力。在另一个变形中，包括电源单元的两个或更多的模块一起工作以给机架中的全部计算单元提供电力。

虽然在一些设计变形中，将电源放置在计算机机架的顶架上的集中位置，但在其它变形中，电源位置可以变化。可以将电源分成两组或多组，并放置在计算机机架的顶部上的不同位置。例如，可以将两个独立的电源单元放置在计算机机架的顶部的两个架子上。可以将所述两个独立单元配置为用作集成单元，以给机架中的各个计算单元提供电力。可选的是，可以将所述两个独立单元配置为相互独立地作用，其中每个单元只对机架中自身子集的计算机负责。在另一个变形中，可以将一个单元放置在顶架中，而将其它单元放置在计算机机架的顶部。本领域技术人员可以理解，根据这里的讨论，多个其它用于将电源单元放置在计算机机架顶部的配置也是可能的。

在另一个变形中，提供双列计算机机架来容纳多个计算单元。在所述机架中将所述计算单元放置为具有背面对背面的结构的两列。优选，所述两列计算机的背部在机架中央彼此相对，并且在其间提供用于通风的间隔。可以提供吸气装置或空气压缩机来除去或移走在所述中央间隔柱中的空气。可以将所述吸气装置或空气压缩机设置在计算机架的顶部或底部。可以将计算单元配置为具有正面入口，使得可以从双列计算机机架的正面或背面维护被背面对背面安装的计算单元的正面。

通过将电源放置在一个或两个双列式机架的顶部，可以减少或消除在计算机机架中容纳的每个计算单元对电源模块的需求。另外，这可以提高双列计算系统的散热效率。每列计算机可以通过置于每列的顶架上的独立电源单元支持。如前面所述，电源单元可以包括一个或多个电源模块。可选的是，机架中的两列计算机都可以通过置于所述列之一的顶架中的单个电源单元供电。另外，还可以将一个或多个电源单元置于双列式计算机机架的顶部。

支持3列或更多列计算单元或服务器的计算机机架也是有利的。可以这样配置计算机机架，使得不同列的计算机的正面朝外，而每列计算机的背部朝里彼此相对。可以在各列计算机的中央提供用于流通热空气的间隔。每列可以在其顶架上放置电源单元，用于给列中的多个计算机提供电力。可选的是，可以提供集中式电源单元，以给机架中的多列计算机提供全部电力。可以将集中式电源置于机架中的一列中，或置于专门用于电源的单独机架中。还可以将电源置于多列式计算机机架的上方。

为了便于维护，可以将在其顶部放置有电源单元的多个单列机架放置成行。可以提供冷却机构，用于冷却多个机架中的全部电源单元。例如，可以使具有冷却剂的管道穿过各机架的上部，以提供用于从各个电源单元移走热量的介质。可选的是，可以引导专用的空气柱环绕多个电源单元流动，以便于移走电源周围产生的热量。

本领域的技术人员可以理解，还可以将双列式背面对背面结构的机架侧面对侧面地成行放置。在所述机架之间可以或不设置间隔。可以提供一个或多个冷却机构，用来冷却位于每个双列式计算机机架中或其上方的多个电源单元。

存在改善对计算机的冷却的需求，尤其是当计算机数目巨多时。而增加计算机密度则增加了这种需求。本发明的特征可以有助于满足这种需求。在特定情况下，在计算单元中保持可接受的热量水平的需求可能与保持下述情况的需求相抵抗，在所述情况中，以可接受的温度容纳计算机，而不需要过高的环境冷却费用。本发明的针对冷却计算机的多个特征可能在这方面有利。

通过重新分配计算机机架中的电源以促进从计算机机架散热，这对于机架中的每个单独计算单元的效率、以及计算机机架中的包括多个计算单元的计算机系统的效率可以提供显著的优势。另外，通过从各个计算单元拆卸一个或多个电源部件，可以用更小尺寸的外壳封装所述计算单元，从而在给定计算机机架中可以放置更多计算单元。而且，通过使计算机机架具有改善的发热控制结构，计算机操作员可以在给定空间内放置更多计算机机架。

附图说明

在附图中，标号在不同附图中表示相同的部件。所示附图用于示出具有配电系统的计算机机架的一些特征，而不是为了以任何方式限制本发明。所述附图不必是成比例的，重要的是清楚地示出特征。

图1A示出了计算机机架的一个变形，在其顶部安装有电源模块，以提供电源来支持安装在机架下部的计算单元；

图1B是图1A所示的计算机机架的正视图，示出了可选的电源适配器(如配电棒)，其具有多个槽，用于从电源模块对下部机架中的计算单元分配电源；

图2示出了计算机机架的另一个变形，在其顶部放置有配电系统，用于支持机架中的计算单元的电力需求；

图3A示出了双列式计算机机架一个变形的侧视图，其中将两列计算机背面对背面地放置在机架中，将电源模块置于各机架的顶架上；

图3B示出了双列式计算机机架的截面图(从机架侧面看)，其中由计算单元占据电源单元下方的所有机架空间，在所述两列计算单元之间提供间隔；

图3C示出了双列式计算机机架的另一个变形，其中将电源单元置于计算机机架的顶部；

图4示出了具有三列背面对背面结构的计算机机架的一个变形的俯视图；

图5示出了集中式电源系统的一个变形，其中的配电单元给安装在三个双列式机架内的计算机提供电力，在该变形中，所述配电单元包括固定在具有背面对背面方式的单独机架中的直流电电源模块，在电源机架中设置有通风孔和气流通道，用于冷却电源单元中的电源模块；

图6示出了以垂直堆叠排列实施的计算机机架的一个变形；

图7A示出了电连接的一个变形，其中以并联方式配置三个直流电电源模块，以给三个计算单元提供直流电，每个计算单元具有内置电压步降转换器；

图7B示出了电连接的另一个变形，其中将电压转换器作为独立模块提供并连接到计算单元；

图8A示出了电连接的另一个变形，其中三个电源模块给具有并联结构的三个电源棒提供直流电，每个所述电源棒给多个计算单元提供电力；

图8B示出了电连接的另一个变形，其中将电压步降转换器置于计算单元的外部；

图8C示出了电连接的另一个变形，其中在三个电源棒中的每个提供从48到12V的电压步降，在每个计算单元中，提供输入为12V、输出为12V、5V和3V的电压转换器；

图8D示出了电连接的另一个变形，其中在主电源棒的每个节点上，提供一组三电压转换，以提供相应电压是12V、5V和3V的三根独立的直流供电线，系统中的每个计算单元从每个三电平直流电源接收电力供应；

图9示出了电连接的另一个变形，其中将六个电源模块配置为并联的方式，以给两个电源棒提供电力，其中每个电源棒支持多个计算单元，在该变形中，在每个计算单元中提供电压步降转换器。

具体实施方式

在描述本发明之前应该理解到，除非另外指出，本发明不必限于容纳和操作服务器的应用，而是可以变化。这里使用服务器场和服务器机架作为实例。可以理解，可以将本发明的一些变形用于其它应用(例如通信中心，其中将多个网络计算机放置在同一个房间中，用来安排电话呼叫或管理数据传输)中，在所述应用中，将多个运行计算机或数据存储阵列放置为彼此邻近。

这里使用计算机机架作为显示本文所公开的本发明的不同方面的功能的示例性应用。可以理解，本发明的特定变形可以用于多种容纳和/或运行相互邻近的多个电子设备或系统的应用中。

这里使用的术语“计算单元”包括任何设计为执行计算或数据存储功能的电子系统，其包括但不限于具有CPU的电子设备、计算机、服务器、工作站、可编程电子设备、数据存储设备、数据存储阵列、或数据处理器。可以将计算单元装入箱和盒中。可选的，可以将所述计算单元设置在电路板上或没有封装的托板(blade)上。在一些变形中，可以在计算机架中提供底板，使得可以将计算机板或托板直接插在底板上。

还必须注意，除非上下文另外明确指出，本说明书和所附权利要求书中用到的单数形式“a”、“an”和“the”均包含复数对象。因此，例如术语“计算机”的含义应该是一个计算机或一组计算机，而“电源单元”的含义应该是一个或多个电源单元，或其组合。

参考图1A，示出了示例性的计算机机架2，所述机架在其顶架安装有配电单元4。在该变形中，配电单元4由3个电源模块6组成。所述电源模块6被设置为支持计算单元8，可以将所述计算单元8放置在电源模块6下方的下部的架上。如图1A所示，将两个计算单元8固定在计算机机架2中。如图1B所示，可以将电源线柱10(例如，配电棒)嵌入机架中，用于从电源模块6向下方的计算单元传输电流。该电源线柱10可以具有独立的插座12，使得当将计算单元滑入机架2的隔板中时，计算单元上相应的插座会与电源线柱上的插座耦合，从而实现电连接。本领域的技术人员可以理解，可以将其它在工业中共用的内置式电连接装配到所述计算机机架的框架中，使得当将计算单元插入或固定到机架上时，可以将计算单元插入插座，以便从电源获得电力，而不需要单独的电缆。可选的是，可以使用电线或电缆提供计算单元到电源模块的电连接。

所述3个电源模块可以一起工作以给机架中的全部计算单元提供电力。可以把它们配置为集成电源单元以给机架中的全部计算单元提供电力，或者可以将其构成为，使得每个模块主要负责机架中的计算单元的子集。所述模块还可以提供故障修复保护，使得当其中一个模块发生故障时，其它两个模块可以接管并维持对机架中的所有计算单元的电力供应。位于计算机机架上部的所述电源系统可以具有微处理器控制器，用来控制对机架中的所有计算单元的配电。可选的是，每个所述3个模块可以具有自己的微控制器来控制配电。可以将所述每个电源中的单个控制器配置为，使得其可以相互通信，并用作集成电源单元。

可以在电源模块的前面和/或后面面板上设置通风口，使得空气可以容易地流过每个电源模块。可以将风扇和/或其它散热机构设置在电源模块的内部或周围，以防止电源模块中的电子部件过热。

可以将每个电源模块配置为具有一个或多个下列功能或特征：冗余功能、可以热交换的特征、热插拔(hot-pluggable)特征、不间断电源(UPS)特征、与其它模块的均分负载、警报系统(例如警报器、蜂鸣器、LED显示器、LCD显示器、电源故障信号等)、系统状态指示器(如LED显示器、LCD显示器、用于与计算机通信的数据输出端口、监视器、或显示机构等)、热防护(如冗余冷却风扇、热警报器、自动过热关机等)、反馈控制机构(例如用于监测在输出电源线或配电棒上的电流电平的传感器)、与中央控制器或计算机通信的管理接口，用于支持对电源输出的远程控制和管理、一个或多个AC输入端口、以及一个或多个直流输出端口。

在一个变形中，将在位于计算单元或服务器盒中的常规电源模块中提供的全部电源管理功能除去，而在计算机机架上部配置集中式电源单元以提供全部的电源管理需求。可选的是，仅仅除去由位于计算单元或服务器盒中的常规电源模块提供的部分电源管理功能，而将位于机架上部的所述集中式电源单元配置为支持各计算单元中的缩小的各电源模块。这种结构可以显著减小各计算单元中电源模块的尺寸。结果，可以减小整个计算单元的尺寸。可选的是，随着电源模块尺寸的减小，可在计算单元中获得额外的空间用于安装附加设备(如硬盘驱动器)。

许多传统的电源模块具有大型的变压器(transformer)块，用于把提供的交流电转换为直流电，所述直流电又被供给计算机的各个部件。该变压器发出大量热量，因此通常需要用专用风扇来冷却变压器。在一个变形中，将变压器从计算单元拆除，而通过位于计算机机架上部的集中式电源单元来管理交流到直流的转换。所述集中式电源单元可以给机架中的每个计算单元提供直流电。通过拆除变压器，将主要的发热部件从计算单元移除。此外，由于移除了变压器块，可以将用于管理输入电流的电子器元件直接设置到主板或可以连接到主板的适配器卡上，从而不再必需庞大的电源模块。通过移除通常占据了计算单元壳中的大量空间的电源模块，可以将计算单元形成为类似的轮廓，从而允许在给定计算机机架中放置更多的计算单元。

另外，通过将电源放置在机架上部，而将机架中容纳的多计算机系统的一个主要发热因素集中并定位在一个位置，以便有效地散热。由于可以最小化发热部件和位于其上方的其它障碍，从而由位于机架上部的集中式电源单元产生的热量可以更有效地散热。另外，热空气倾向于向上移动，通过将电源放置在机架顶部或接近顶部，可以允许电源周围的热空气更快地离开计算机架。另外，由于在与其它计算机部件分开的机架中集中电源，可以提供独立的专用冷却机构，如冷却剂管道、专用风扇或气流柱来冷却所述集中式电源单元。

在另一个变形中，所述集中式电源单元被配置为接收高电压输入，并调节对计算机机架中不同计算单元的配电。在一个变形中，集中式电源的电压逐步下降，并把调整后的交流电流提供给由机架支持的计算单元。在每个计算单元中提供AC-DC变换器，用于接收由集中式电源单元提供的分配的交流电流。在另一个变形中，在每个计算单元中放置基于集成电路的微型AC-DC变压器，用于从集中电源接收输入电流。可以把所述微型AC-DC变压器(如固态AC/DC变压器)集成在适配卡中以便于被放置到计算单元的主板上。可选的是，还可以将所述微型AC-DC变压器直接安装到主板上。

如前所述，所述集中式电源单元可以包括一个或多个电源模块。该电源模块被配置为提供冗余度，使得当一个电源模块发生故障时，供应给机架中的计算单元的电源不会中断。本领域技术人员可以理解，可将所述电源模块配置为便于拆除和更换。在一个变形中，这样配置电源模块，使得可以“热交换”或“热交流(exchange)”。这可以允许系统管理员更换一个或多个电源模块，而不会中断机架所支持的计算单元中正在运行的计算功能。所述电源模块可以被配置为提供均分负载，以维持电源线上希望的电压和电流电平。每个电源模块可以具有它自己的传感器和反馈机构以调整其电流输出。可以连接控制器单元，来调整系统中的所有模块的电流输出。例如，控制器可以监测电源线(如电源接线柱)中的电流电平并调整每个单独的电源模块的电流输出。当限制计算单元的电源需求时，部分电源模块可以关掉或保持等待模式。

在另一个变形中，将电源单元4设置在计算机机架2上方，如图2所示。在该例中，所述电源单元4包括3个电源模块6。可以提供可选的冷却机构，用来直接从模块中的电子部件散热，或移走电源模块中的部件周围的热空气。

节省空间和提高计算机密度的一个方法是消除同时访问计算机的前部和背部的需要。这通过这样的机架或机箱(chassis)设计来实现，其中将用于需要物理访问的部件的端口仅设置在机箱前部。需要物理访问的部件包括，但不限于：各种数据驱动器或存储设备、以及物理输入和输出插口。优选，根据本发明制造的机箱背部没有任何这类访问端口。但是在某些变形中，这种“前部访问”特征不需要计算机的每个物理配件都设置在机器前部。可以将要求周期性的物理访问、或可能显著阻碍从计算单元前方拆卸设备的部件设置在计算单元前面。可以将位于主板上的并通常从后面访问的特征、以及可存取数据驱动器设置在本发明机箱的前部。在另一个变形中，将在计算机运行时访问的特征设置在计算单元前部，而将只有当计算机关闭时才访问的特征设置在所述单元的背部。

前述计算机机架结构允许在机架或其它支承结构中以背面对背面的布置有效放置计算机部件。这种背面对背面的布置允许计算机机架结构容纳两列计算机。这种布置经常能使机架计算机系统的可能密度变成两倍或更多倍，例如其中将计算机以其它方式安装为深入一个单元。所述对计算机机箱的背面对背面安装还包括对彼此链接的全功能(full-function)计算机的背面对背面的布置，或对例如伺服毗邻计算机的驱动器阵列计算机和设备的背面对背面的布置。

另外，通过这样以背面对背面方式设置本发明的机箱，使得当计算单元位于机架中时，在双列计算机背部之间存在间隔，从而可以提供通道以从所述双列机架排出热空气。在所述双列计算单元之间的背部间隔(如果希望的话，也可以是机箱侧面和部分机架侧面板之间的间隔)内提供冷却空气或强迫空气，使所述空气穿过机箱并通过机器前部排出。可以将该从后到前穿过计算机的冷却气流导向特定的热运行(hot-running)或温度敏感的部件，如电源或CPU的部件。可以特定地配置或控制各类入口、通风口、风扇和挡板(baffle)，以提供希望的气流特性，并优化冷却和/或温度稳定性。可以采用环境温度下的强迫空气、或者低达约40华氏温度(或约5摄氏度)或更低的强迫和/或冷却的空气。在计算机和/或容纳计算机的机架之间的间隔中提供的空气，可以通过建筑物内通常具有的管道系统从上方通入，或利用热气上升的优势从下方通入。

可以以其它有利的方式利用计算机或机架侧面之间的背部间隔和可选的侧面间隔。特别在保持较低环境温度的地方是关注的，气流从该处的逆行(reverse)将是有利的。可以这样实现所述逆行气流，通过风扇和/或局部真空吸引环境空气穿过计算机机箱内而经过发热部件，然后通过排气罩、压力通风系统、通风口或其它装置从计算机间的公共间隔排出该气流。可选的是，机架内的每个计算单元可以具有自己的风扇，以驱动所述计算单元的壳内的空气进入双列计算机之间的间隔。可以用公共管道系统从双列计算机之间的间隔排出热空气，并将空气导出计算机周围环境或使其进入空气调节单元以冷却所排出的空气。可选的是，各个排气罩可以单独地把空气排出计算机所在地点。提供从前到后的气流将冷却计算机部件，并相比于其它高密度网络计算机方案有助于将环境温度保持为更低的温度。如上所述，可以通过热运行或温度敏感元件引导冷却气体。

利用这里公开的硬件和/或计算机、机架的结构中，在从后到前的方向或从前到后方向提供冷却气流都是可能的。可以提供不同方法和分开或组合的硬件部件协同工作以最终获得希望的结果。

图3A所示侧视图是使用双列计算机机架22结构的示例性设备。在该变形中，将计算单元8以背面对背面的结构放置在双列内。图3B示出了在所有搁架中放置计算机的双列计算机机架系统的截面图。两列25、26计算机8的背部23、24在机架中部28互相面对。在该实例中，每个机架的顶架供电源模块6使用。可以提供可选的电导管10从电源模块给置于其下方的各计算单元引导电流。电导管10具有便于与各个计算单元连接的插座。

尽管在上述实例中，所示双列式结构中的计算单元以背面对背面结构布置，本领域技术人员可以理解，正面对正面的结构也是可行的，其中计算单元的正面在计算机机架中部彼此面对。在该变形中，可以强迫气流从双列计算单元之间的间隔进入或抽出，从而便于气流穿过各计算单元中的电子部件。在另一个变形中，所述双列式结构包括以侧面对侧面结构布置的计算单元，其中所述计算单元的侧面在计算机机架中部彼此面对。在另一个变形中，可以将双列式机架中的部分计算机以背面对背面的结构放置，而将部分计算机以正面对正面的方式或侧面对侧面方式放置。另外，当将电源模块放置在双列式结构中时，其也可以以背面对背面结构、侧面对侧面结构、或正面对正面结构放置。

在图3B所示变形中，每个计算机与其它列中的对应计算机对齐，但是，所述双列式机架中两个列内的计算单元不需要相互对齐。例如，在一个变形中，一列中的所有计算单元可以不与对应列中的所有计算机对准。在另一个变形中，部分计算机与其它列内的对应计算机对齐，但其它计算机不对齐。

在一个变形中，双列式背面对背面机架被配置有6个直流电电源模块。将3个所述电源模块放置在前面列的顶架上，将另3个电源模块设置在后面列的顶架上。每个电源模块被配置为接收110V的交流输入或220V的交流输入。还可以把每个电源模块配置为3000W的电源或5600W的电源。将每个电源模块配置为保持56V直流输出。将所述电源模块的输出并联连接到配电棒，使得可以在运行的6个模块中平衡负载分配。将每个电连接到传感器，所述传感器适于监测配电棒中的电流量。在每个电源模块中可以包括内置的反馈控制器，用于调节模块的电源输出。可以提供可选的中央控制器，用来控制全部6个电源模块。可以将中央控制器放置在双列式机架的一个较低隔板上。所述中央控制器还具有适于监测配电棒中电流的外部传感器。从中央控制器提供到每个所述6个模块的电连接，使得中央控制器可以与所有的6个电源模块通信。中央控制器可以控制各个电源模块的电源输出，以确保将适当的功率供给到机架中的计算单元。例如，当计算单元的整体功率需求较低时，中央控制器仅仅接通或激活2个电源模块。当计算单元的功率需求增加时，中央控制器根据需要可以接通或激活更多的电源模块。当计算单元的功率需求减少时，中央控制器可以指示单个电源模块关闭或进入等待模式。在该变形中，将配电棒在双列式机架的中部向下延伸，从而给在计算机机架前部列和背部列中的所有计算单元提供电力。所述配电棒可以包括一个或多个相互平行延伸的导电带。可提供48V的直流转换卡逐步降低由配电棒提供的输入电压，并提供3个输出(12V，5V和3V)以给各计算单元中的电子部件供电。在一个结构中，所述3个输出12V、5V和3V具有相应的安培数30A、20A和20A。可以将直流转换卡设置在每个计算单元内部、并直接连到计算单元的主板上。可选的是，可以将直流转换卡设置在计算单元外部，并且提供电线或连接将输出电力传送到每个相应计算单元的主板上。例如，可以在计算机机架中紧靠每个计算单元地设置插槽，用于放置支持每个计算单元的直流转换卡。可以在机架上方设置风扇，以帮助除去或排出在双列计算机之间的间隔中的热空气。可以在风扇上方设置排气罩，以引导热空气离开计算机机架。例如，可以将所述排气罩连接到排气管，以便于从计算机机架除去热空气中。

在一个变形中，将风扇设置在电源模块上方，使得将空气从双列计算机机架的底部抽出、穿过双列计算机之间的间隔、并且然后在排出计算机机架之前围绕或穿过电源模块经过。可以在双列式机架的每个计算单元中设置单独的风扇，从而推动热空气离开计算单元，并使其进入在双列计算机之间的间隔中产生的气流。可选的是，可以通过位于计算机机架底部的一组风扇将所述空气吹进两列间的间隔。

在另一个变形中，将电源单元4设置在双列式计算机机架22的顶部，如图3C所示。在该例中，每个单元包括两个电源模块，并且每个单元被配置为给其下方的列中的所有单元提供电力。

在一个变形中，将电源模块设置在两列计算机之间的间隔上方。可以在电源模块上方设置一组风扇，使得从两列计算机之间的间隔抽出空气，并使所述空气经过所述电源模块后排出计算机机架系统。

在另一个变形中，通过以背面对背面结构放置两个单列计算机机架而形成双列式背面对背面结构。可以提供框架或其它支承结构来将两个机架相互固定。可以在所述两个机架间提供间隔，以便于从两个机架之间的间隔中排出热量。每个计算机机架都可以配置上部搁架，以容纳一个或多个电源模块。

在另一个变形中，可以提供包括3列或更多列计算单元或服务器的机架或机箱。例如，可以以背面对背面的方式放置3列计算机32、34、36，使得每个计算机列的背部以60度角度面对另两列计算机的背部。图4示出了使用三列式背面对背面结构的示例设计的俯视图。在该变形中，三列式系统可以包括具有三列搁架或插槽的单个机架。机架的一部分可以移动或滑动，使得操作员可以进入计算单元的背部以便于维修和保养。可选的是，三列式系统可以包括一个或多个可移动或滑动的机架。在另一个变形中，提供了五列式计算机机架系统，使得以五边形结构放置所述5列计算机，其中在所述五列的中央具有空气柱。这样设置每个所述5列计算机，使计算机的正面朝向五边形系统的周边，而使计算机的背部朝向其它4列中的计算机的背部。如前所述，每个机架可以具有位于其顶部的电源单元，用于给列中的计算机供电。可选的是，可以设置一个电源单元给五边形结构机架中的所有计算机供电。可以将所述电源单元放置在一个或多个机架中，或放置在机架系统的顶部。可选的是，可以在单个机架中设置所述电源单元，来给机架中的全部五列计算机供电。尽管这里讨论了三列或五列结构，本领域技术人员应该理解，4、6、7、8、9和10列结构也是可能的。

在另一个变形中，可通过一个集中式配电单元支持多个安装在计算机机架中的电子设备，所述电源单元被安装在与所述计算机机架分开的专用机架中。可以将两个或多个计算机机架电连接到所述集中式配电单元。所述配电单元可以由集成直流电源单元组成。可选的是，所述配电单元可以包括两个或多个电源模块。组成所述配电单元的所述电源模块能提供均分负载的电力输出，以支持各计算机机架中的计算单元。在一个变形中，所述电源模块给各个计算机机架提供直流电。所有的模块可以一直通电。可选的是，所述模块可以基于需求提供电力输出，并且可以将能够产生额外电源的附加模块设置在等待模式或关闭，直到计算单元需要额外电源。容纳集中式配电单元的计算机机架可以是单列式计算机机架、双列式背面对背面机架或其它多列式计算机机架。

图5示出了通过分开的配电单元支持的三机架系统。在该实例中，将三个机架42、44、46并排放置，并将配电单元48连接到三个分开机架，以给每个所述三个计算机机架中的计算单元提供直流电流。在一个变形中，将配电单元48配置成48V的直流电源。在另一个变形中，可以将电源配置为传送约56V的实际电压输出。每个计算机机架(或机架中的每个列)可以具有单独的电压步降转换器，以便在将电配给机架或列中的每个计算单元之前将输入电压逐步降低到约14V。在每个计算单元中可以设置直流转换卡，用于将14V输入电压转换为12V、5V和3V的输出电压，以满足计算单元中的部件的电力需求。可选的是，可以将配电单元配置为给三个机架中的所有计算单元提供48V的电源，每个计算单元具有内置式48V的直流转换器板，用于逐步降低输入电压并给计算单元中的部件提供12V、5V和3V的输出电压。在另一个变形中，将配电单元配置为48V的直流电源，每个机架(或机架中的列)可以具有电压步降变压器，用于从配电单元接收48V的直流输入并输出12V、5V和3V的电源。在另一个变形中，分布的电源单元直接给计算单元提供12V、5V和3V的直流供电，从而不需要电压步降转换器。

在上述实例中，将配电单元设置在与通过其支持的计算单元分开的机架中，可以设置专用的冷却系统或散热设备(如风扇、空气流、用于流动冷却剂的管道)，来将配电单元的发热水平保持在有效的作用水平上。在一个变形中，在配电单元的机架内设置空气通道，从而便于气流穿过机架，并防止配电单元过热。在另一个变形中，将电源模块以背面对背面的结构放置在机架中，强迫空气进入或排出所述电源模块背面之间的间隔，从而便于气流穿过所述电源模块。也可以强迫冷却的空气穿过电源模块，以便于冷却所述电源模块中的电子部件。可以将配电单元放置在独立的空间或机箱内，将其从计算单元隔开。

在另一个变形中，垂直而不是水平地堆叠计算机机架中的计算单元。图6示出了实施垂直层叠设置的机架。在该实例中，计算机机架52具有5行54、56、58、60、62，在下四行的每行中的计算单元8以侧面对侧面的方式彼此相连地垂直安装。将电源模块6安装在计算机机架52的顶行54上。本领域技术人员可以理解，还可以将这种对计算机单元的垂直安装实施为双列式背面对背面结构的机架或其它多列式机架系统。在可选设计中，可以将各个计算单元设置为没有外壳。可以将每个计算单元实施在电路卡(electronic board)或托板上。可以在计算机机架中设置底板，以便于垂直安装计算机机架内的计算单元。

本领域技术人员可以理解，可以将所述配电单元配置为根据设计需求提供各种直流电压电平的电流。例如，可以将配电单元配置为提供这样的直流电流，其具有在约40V到约60V范围内的相对恒定的直流电压。所述配电单元还可以具有由操作员确定的可变直流输出电压。例如，可以将所述配电单元配置为提供在约40V到约60V范围内的任何直流电压。

可以将直流电压步降转换器实施为，在将电流输送给计算单元中的部件之前在需要时逐步降低电压。可以在每个机架或每列逐步降低电压。如果需要，在将电流导向计算机主板之前，可以提供另一个电压步降转换器以进一步逐步降低电压。尽管在上述实例中，在计算单元中放置48V到12-3-5V的电压步降转换器和12V到12-3-5V的电压步降转换器。本领域技术人员可以理解，可以将这些电压步降转换器放置在计算单元外部，通过电连接给计算机主板提供不同电压电平(如12V、5V和3V)的电流。

图7A示出了用于具有分布的电源系统的计算机机架的电连接的一个变形。在该变形中，将3个直流电电源模块(PS)6配置为并联方式，以给三个计算单元8提供直流电。每个计算单元8具有内置的电压步降转换器(VC)72。该电压步降转换器72给计算单元8中的计算部件(CC)74(如CPU、RAM、ROM等)提供具有逐步降低的电压的直流电。本领域技术人员可以理解，尽管在该实例中只示出了三个电源单元和三个计算单元，也可以采用电源单元和计算单元的多种其它组合。图7B示出了电连接的另一个变形，其中将电压转换器72设置为作为分开的模块连接到所述计算单元8。

可以将电源模块6和计算单元8放置在同一机架中。例如，可以将电源模块6放置在机架上部，而将计算单元8放置在机架下部。可选的是，将计算单元8放置在一个机架中，而将电源模块6放置在一个分开的机架中。在一个变形中，将电压转换器74放置在计算单元的机架中。在另一个变形中，将电压转换器74与电源模块6放置在一起。

图8A示出了电连接的另一个变形，其中三个电源模块6给具有并联结构的三个电源棒提供直流电。每个所述电源棒给多个计算单元8提供电力。该实例中的变形所示的计算单元具有集成的电压步降转换器72。图8B示出了电连接的另一个变形，其中将电压步降转换器72放置在计算单元8的外部。图8C示出电连接的另一个变形，其中在每个所述三个电源棒中具有从48V到12V的逐步压降76。在每个计算单元8中设置这样的电压转换器78，其具有12V的输入和12、5和3V的输出。本领域技术人员可以理解，这里可以采用不同的电压转换配置。例如，初级(primary)电压步降转换器76可以提供60V到15V的步进压降，而第二级电压步降转换器78可以提供15V到10V、5V和3V的步进压降。还可以使用其它组合。另外，尽管在该实例中将第二级电压步降转换器78集成在计算单元中，本领域技术人员可以理解，也可以将第二级电压步降转换器78设置在计算单元的外部。

图8D示出电连接的另一个变形，其中在主电源棒的每个节点上设置一组三电压转换器82、84、86，以提供三根分开的具有12V、5V和3V的对应电压的直流电源线。系统中的每个计算单元8从每个所述三电平的直流电源82、84、86接收电力供给。本领域技术人员可以理解，在每个节点上实施的电压转换数并不限定在三次，而是可以根据系统设计需要变化。例如，如果计算机需要四个单独的电压输入，可以采用一组四个电压步降转换器。另外，尽管在该实例中通过三个单独的电压转换器实现三次电压转换，但是本领域技术人员可以理解，可以采用具有一个输入电压和三个电压步降输出的集成单元来代替所述三个电压步降单元82，84，86。另外，尽管在该实例中实施了12V、5V和3V的电压，但是还可以根据由机架支持的计算单元的电源需要实施其它电压电平。

图9示出了电连接的另一个变形，其中将6个电源模块配置为并联，以给2个并联的电源棒供电，其中每个电源棒支持多个计算单元8。在该变形中，将电压步降转换器72设置在每个计算单元8内部。本领域技术人员可以理解，还可以将电压转换器72作为单独的模块或单元设置在计算单元8的外部。此外，在一个变形中，将电源模块6和计算单元8放置在双列式计算机机架中。例如，可以将电源模块6放置在双列式机架的上部，而将计算单元8放置在双列式机架的下部。在另一个变形中，将计算单元8放置在一个双列式机架中，而将电源模块放置在单独的机架中。所述容纳电源模块的单独的机架也可以具有双列式结构，所述结构具有一个或多个用于冷却电源模块内电子部件的气流通道。

在包括计算机机架的计算机服务器系统中，将配电部件设置在机架上部用于给机架中不同的计算单元供电，这在对计算机机架中的计算单元的热量控制方面具有很多益处。首先，通过移除电源或电源的至少一部分或部分电源模块，可以减少由计算机机架的下部产生的热量，还可以减少各计算机机箱或外壳中产生的热量。第二，由于热空气容易上升，通过将电源或电源的一部分移到机架上部，可以改善计算机服务器系统(如其中安装有多个计算单元的计算机机架)的散热能力。第三，通过除去或减小计算模块中电源模块的尺寸，可以减少计算机外壳的尺寸和轮廓，从而在给定机架中可以放置更多的计算单元。第四，通过将电源单元与计算机系统分开，可以利用专用冷却机构更有效地从机架抽走由所述电源单元产生的热量。

本说明书中引用的全部公开和专利申请，其整体在此引用作为参考，所述整体为具体并各自发表的各个公开或专利申请的原文。

尽管根据特定变形和示例性附图描述了本发明，本领域技术人员可以认识到，本发明并不限于所述变形或附图。另外，上述方法和步骤示出以特定顺序发生特定事件，本领域技术人员可以认识到，可以修改特定步骤的顺序，并且这种修改对应于本发明的所述变形。另外，在可能时可以在并行的过程中同时执行特定步骤，或者如上所述顺序执行。

从而，应该理解，可以在所附权利要求书的精神和范围内实施对本发明的修改和变化。因此，本说明书应被认为是示例性的而不是对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种机架安装的计算机设备，包括：

机架；

电源，其被安装在所述机架的上部；以及

多个计算机，其被安装在所述电源的下方，其中所述电源被配置为给至少两个所述多个计算机提供直流电，所述电源包括两个或多个直流电模块，所述模块被配置为提供故障修复保护，以及

多个电压步降转换器，其中每个所述电压步降转换器被电连接到所述电源和至少一个所述多个计算机。

2.如权利要求1所述的机架安装的计算机设备，其中所述两个或多个直流电模块被并联连接到所述多个计算机，使得在所述多个直流电模块之间均分负载。

3.如权利要求1所述的机架安装的计算机设备，其中所述电源提供56伏的输出电压。

4.如权利要求1所述的机架安装的计算机设备，其中所述多个计算机的每个包括CPU、RAM、ROM以及硬盘驱动器。

5.如权利要求4所述的机架安装的计算机设备，其中所述多个电压步降转换器的每个位于所述多个计算机的外部。

6.如权利要求4所述的机架安装的计算机设备，其中所述电源进行AC至DC转换。

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