CN102662453B - 一种高性能计算机的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能计算机的供电系统，包括用来给计算单元供电的背板电源组和主板电源组，所述计算单元包括背板以及多块连接于背板上的主板，所述背板电源组包括两个供电组，每个供电组中包含四台一次电源模块，所述多块主板平均分成两组，每组主板由一个供电组供电。本发明具有结构简单紧凑、制作加工方便、提高了电源转换效率、降低了电源成本等优点。

Description

一种高性能计算机的供电系统

技术领域

本发明主要涉及到高性能计算机供电系统的设计领域，特指一种适用于高性能计算的供电系统。

背景技术

“高性能计算机”是衡量一个国家科技创新能力和综合国力的重要标志。随着高性能计算机在核模拟、天气预报、飞机设计、生物医药、能源勘测等重要领域的广泛应用，高性能计算机的峰值性能要求越来越高，功耗越来越大，体积也随之越来越庞大，机柜数量超过几十个甚至上百个，占地面积超过几百平方米甚至上千平方米，导致机房面积也越来越大。

目前，高性能计算机主要有两种形式：

第一种为采用服务器集群的形式，即在单机柜中放置几台到几十台商用服务器，再放置几十个机柜，各个服务器之间互联起来，就组成了一台集群的高性能计算机。这种集群形式高性能计算机的供电方法非常简单，只要提供交流输入电压就可以了。

第二种为采用刀片服务器的形式，即在单机柜中放置若干个计算单元，每个计算单元包含一块背板和若干块主板以及其他插件板，然后放置几十到上百个机柜，就组成了一台高性能计算机。这种形式的高性能计算机供电方法非常复杂，一般采用分布式供电系统架构，在主板上放置若干个直流-直流的电源变换器，将直流12V输入电压分别变换成CPU、内存条、其他组件所需的1.0V、1.1V、1.2V、1.5V、3.3V、5V等直流低电压。直流12V输入电压的产生方式多种多样，可以采用交流220V直接变换成直流12V，通过背板送到主板的方式；也可以采用交流220V首先变换成直流48V或300V，通过背板送到主板，在主板上再将直流48V或300V变换成直流12V的方式。

对于第二种形式的高性能计算机，为了减小高性能计算机的整体占地面积，必须尽量提高组装密度，即必须在主板上放置尽可能多的CPU，在机柜内放置尽可能多的主板，使得单机柜的计算性能最高。随着多核CPU的飞速发展，CPU单体功耗越来越大，功耗达到100多瓦，工作电流超过100安培。如果一块主板上放置四个CPU和相应组件，则一块主板的功耗将超过800瓦，采用直流12V供电时输入电流为66.6安培。如果一个计算单元放置18块主板，则输入电流将达到1200安培，意味着一块背板上至少将流过1200安培电流。如何将这1200安培电流从一次电源模块送出，再通过背板输送到所有主板的输入插座中，是一个非常严峻的难题。

目前，在高性能计算机供电系统设计中，实现大电流供电主要有两种方法。

一种方法是提高主板的输入电压来减小输入电流，即把输入电压由直流12V提高到48V甚至300V，输入电流将会大大降低，这样会使背板上流过的电流变得较小，降低了背板的设计和制造难度，电源接插件的大小也会相应减小。例如，蓝色基因和神威巨型计算机就是采用这种方式供电。但是，这种供电方法将会在主板上增加直流48V到12V或者直流300V到12V的转换电路，占用了宝贵的主板面积，使得主板面积增大，从而增加了单机柜和整个高性能计算机系统的体积和占地面积，降低了功率密度。同时，由于多了一级功率变换电路，电源成本也会有所增加。

另外一种方法是减少每块主板上的CPU数量，使得主板工作电流减小，如一块主板上只放置两个CPU。采用这种方式后，如果保持一个计算单元内主板数量不变，则输入电流将会减小一半，从而也降低了背板的设计和制造难度。例如，SGI公司的ALTIX巨型机就是采用这种方式。但是，这种供电方法同样存在缺点。如果要在单机柜内实现同样数量的CPU个数和计算性能，主板数量将会是放置4个CPU的主板数量的两倍，计算单元的数量也会是两倍。同时，这种主板只能采用竖插方式，而不能采用横插方式。当采用横插方式时，由于主板宽度方向比较窄，机柜外型将变得很窄很深，造型很难看。而采用竖插方式后，由于机柜内从上到下放置了若干个计算单元，通风散热设计难度增大，底部的冷风很难送到上部的计算单元，使得最上端的计算单元环境温度较高，容易造成工作不稳定的现象。如果采用后部出风的方式，采用双面对插时，需在背板上开出很大的孔，以便将插在背板前方的主板产生的热量吸走，但是，背板开孔后会造成背板上的印制板走线空间大大减小，使得背板的层数增加，从而增大成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、制作加工方便、提高了电源转换效率、降低了电源成本的高性能计算机的供电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高性能计算机的供电系统，包括用来给计算单元供电的背板电源组和主板电源组，所述计算单元包括背板以及多块连接于背板上的主板，所述背板电源组包括两个供电组，每个供电组中包含四台一次电源模块，所述多块主板平均分成两组，每组主板由一个供电组供电。

作为本发明的进一步改进：

所述计算单元包含1块背板和18块主板，所述18块主板平均分成两组分别连接于背板的正面和反面，所述背板的正面和反面上各连接有一个所述供电组。

所述背板的正面上左边横插四个一次电源模块、中间横插九块主板、右边竖插三个风扇冷却模块；所述背板的反面上左边横插四个一次电源模块、中间横插九块主板、右边竖插三个风扇冷却模块。

所述每块主板上的器件平均分成两组，每组均包括一半CPU、一半内存条、一半风扇冷却组件，所述两组器件的12V输入电压相互分开，第一组的10个电源变换器与第一电源插座相连；第二组的10个电源变换器与第二电源插座相连。

所述背板上划分成三个区域：左边为一组12V大电流区域，中间为高速信号走线区域，右边为另一组12V大电流区域。

所述左、右两边的12V大电流区域中，采用电源层填充的方式，将印制板层数的一半铺设成传输12V电流的铜箔，另一半铺设成地平面铜箔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用直流12V一级电压给主板进行供电，克服了采用直流48V或300V两级电压供电的固有缺点，最大限度地利用了主板面积，使得计算单元体积小巧，单机柜计算性能最高，单机柜体积也得到了有效控制，从而减小了整个高性能计算机系统的占地面积，提高了功率密度。同时，与48V或300V供电方式相比，这种供电方式还具有电源转换效率更高、成本更低的优势。

2、本发明在每块主板上放置了四个CPU和相应组件，使主板大小和尺寸非常合适，宽度和深度比例非常协调。主板采用横插和双面对插方式后，机柜的宽度和深度比例非常合适，机柜造型非常美观，前后看上去完全对称。同时，主板横插后，通风散热设计变得更为简单，采用水平方向强制通风，每个计算单元的冷却方式和环境温度都基本相同，克服了主板竖插时机柜最上端计算单元的通风散热难题，也避免了背板开孔进行通风散热的问题。

3、本发明的背板设计正反两面完全对称，电源插座位置和引脚定义完全一致，只需设计一种主板和一种风扇冷却模块，即可插在背板的任意插槽。因此大大地降低了设计成本，维护时也相当容易，任何位置的主板及风扇冷却模块都可以互换。

4、本发明的背板的印制板设计非常容易，可分成三个区域进行设计。左右两个区域为大电流区域，中间为高速信号走线区域。三个区域的走线互不干扰，避免了大电流信号对高速信号质量的干扰和影响，有效地提高了高速信号质量和系统稳定性。同时，无需在印制板上设计铜条或铜线来帮忙传送大电流，使得背板具有结构简洁，美观大方，无需任何线缆连接的优点。

5、本发明将主板电源采用分组设计，背板电源也采用分组和双面对插方式设计，将1250安培大电流分散开来，从而实现了高性能计算机供电系统的大电流供电要求，增大了系统功率密度，减小了全系统占地面积，提高了系统效率，降低了设计和后期运营成本。

附图说明

图1是本发明主板采用竖插方式连接于背板上的结构示意图。

图2是本发明中一个计算单元的供电系统原理框架示意图。

图3是本发明主板电源分组设计的连接关系示意图。

图4是本发明供电系统的连接结构示意图。

图5是本发明背板分区设计的印制板布局和布线示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种高性能计算机的供电系统，包括用来给背板供电的背板电源组以及用来给主板供电的主板电源组，所述多块背板采用双面对插方式分别连接主板的正面和背面，所述背板电源组包括两个供电组，每个供电组中包含四台一次电源模块，

对于高性能计算机而言，每一个机柜均由几个相同的计算单元组成；本实施例中，一个计算单元由1块背板、18块主板、8台一次电源模块和6个风扇冷却模块组成；每块主板所需电流为66.6安培，每个风扇冷却模块所需电流为8.3安培，总共所需电流为1250安培。本发明为了产生和输送1250安培大电流到18块主板和6个风扇冷却模块，对一次电源供电组进行了分组设计，将每四台一次电源模块组成一个供电组，共分为两个供电组。这样，每组一次电源模块需给3个风扇冷却模块和18块主板的其中一个组进行供电，总电流为625安培。每台一次电源模块输出电压为12V，电流为208.3安培。为了提高电源的可靠性，每个供电组中一次电源模块采用三个工作、一个冗余的n+1并联冗余工作方式，总输出电流为833.3安培。假如其中任意一个一次电源模块出现故障，其余三个一次电源模块仍然能够提供625安培电流，足以满足负载电流需求。

本实施例中，8台一次电源模块、18块主板、6个风扇冷却模块平均分成两组，采用双面对插方式对称地分布在背板的正反两面。背板的正面左边横插4个一次电源模块、中间横插9块主板、右边竖插3个风扇冷却模块。背板反面结构与正面完全对称，从左到右依次插4个一次电源模块、9块主板和3个风扇冷却模块；它们之间的电气连接关系如图4所示。正面4个一次电源模块并联输出12V电压，通过印制线连接到正面1到9号主板的第一电源插座。背面10到18号主板的第二电源插座及背面的3个风扇冷却模块插座。背面4个一次电源模块同样并联输出12V电压，通过印制线连接到正面1到9号主板的第二电源插座、背面10到18号主板的第一电源插座以及正面的3个风扇冷却模块插座。

8个一次电源模块插座和6个风扇冷却模块插座以背板为中心分为左右两组而进行两面对插，它们的插座位置属于上下交错互插，正反两面的插座相互不重叠，这样设计可以充分利用这两个区域的垂直空间，使一次电源模块和风扇冷却模块占用的水平空间最小，从而缩小了背板面积和计算单元的体积。一次电源模块的外型选择和插座位置设计需要重点注意，选择一次电源模块时，需选用高度和宽度尽量小，深度方向则不受限制的产品，最佳选择为1U高度（相当于44.5毫米），这个高度和主板的高度一致，有利于一次电源模块的位置摆放。一次电源模块的插座位置应设计在两块主板的水平线中间位置，并且各个一次电源模块之间需要间隔一定距离进行摆放。采用这两种设计方法以后，一次电源模块不会成为主板通风道路上的瓶颈和阻碍物，对主板通风散热效果影响很小。

如图3所示，为本实施例中主板电源组的布置示意图。为了提高组装密度和单块主板计算性能，提高单块主板的性能和峰值速度，一块主板上放置了4个CPU和相应组件，一块主板的功耗为800瓦，直流12V输入电流为66.6安培。为了将大电流分散开来，将主板进行分组设计，即将一块主板的器件平均分成两组，每组由一半CPU、一半内存条、一半其他组件构成，每组所需工作电流为33.3安培。每个组由电源1到电源10共10个电源变换器进行供电，其功能是将12V输入电压变换成CPU、内存条和其他组件所需的直流低电压；即，这些电源变换器负责将直流12V电压变换成CPU、内存条和其他组件所需的1.0V、1.1V、1.2V、1.5V、3.3V、5V等直流低电压，供给它们工作。两个组的12V输入电压相互分开，第一组的10个电源变换器与第一电源插座相连；第二组的10个电源变换器与第二电源插座相连。主板从两个电源插座分别引入12V电源的目的是为了在背板上进行左右分组，降低局部的电流集中程度，从而降低背板的电源设计难度。

采用分组和双面对插技术以后，背板的印制板布局布线设计变得非常简单，如图5所示为本发明中背板分区设计的印制板布局和布线示意图。实线外框插座表示位于正面的电源插座，虚线外框插座表示位于背面的电源插座，左斜线框插座代表一次电源模块电源插座，右斜线框插座代表风扇冷却模块电源插座，打点框插座代表主板电源插座。背板可以划分成三个区域。左边为一组12V大电流区域，中间为高速信号走线区域，右边为另一组12V大电流区域。12V大电流区域和高速信号走线区域完全分开，这样可以大大减少大电流对高速信号质量的影响，有效提升高速信号线的信号质量，从而提高系统的工作频率和工作稳定性。图中I为左大电流区域，II为高速信号走线区域，III为右大电流区域。在左、右两边的12V大电流区域中，印制板设计时只需采用电源层填充的方式，即采用整个区域铺设铜箔的方式，将印制板层数的一半铺设成传输12V电流的铜箔，另一半铺设成地平面铜箔，即可将两组625安培的电流从一次电源输出端传输到主板和风扇冷却模块输入端，无需在印制板上另外设计铜条或铜线来帮忙传送大电流。假设整个背板设计为20层，可将其中10层都铺设成传输12V电流的铜箔，另外10层铺设成地平面铜箔，即可将两组625安培的大电流分别从一次电源模块电源插座传输到与之相连的主板和风扇冷却模块输入电源插座，不会在传输路径上造成供电电压下降，也不会造成背板温度升高超过允许值，因此不需要在背板上另外设计铜条或铜线来帮忙传送大电流。采用这种方式设计的背板和计算单元，具有结构简洁，美观大方，无需任何线缆连接，大电流传输能力强的优点，可以有效地完成高性能计算机大电流供电的任务。

采用分组和双面对插技术以后，整个计算单元设计非常紧凑，功率密度非常高，计算峰值速度很高，同时也解决了大电流产生、大电流引入背板、背板传输大电流、电流引入主板和风扇冷却模块等一系列高性能计算机供电系统技术难题，提高了电源转换效率，同时也降低了电源成本。

参见图1，本实施例中，主板采用竖插的方式，当主板数量较多时，较之横插方式造型更加好看。图中X为背板，Y为主板。18块主板则以背板为中心进行两面对插。相互对插的两块主板之间在垂直方向严格处于同一高度，四个电源插座之间为水平方向相互交错，正反两面的插座相互不重叠。这样设计可以充分利用该区域的垂直空间，使得背板和计算单元的高度严格控制在九块主板的高度，从而缩小了背板面积和计算单元的体积。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高性能计算机的供电系统，包括用来给计算单元供电的背板电源组和主板电源组，所述计算单元包括背板以及多块连接于背板上的主板，其特征在于：所述背板电源组包括两个供电组，每个供电组中包含四台一次电源模块，所述多块主板平均分成两组，每组主板由一个供电组供电；所述计算单元包含1块背板和18块主板，所述18块主板平均分成两组分别连接于背板的正面和反面，所述背板的正面和反面上各连接有一个所述供电组；所述背板的正面上左边横插四个一次电源模块、中间横插九块主板、右边竖插三个风扇冷却模块；所述背板的反面上左边横插四个一次电源模块、中间横插九块主板、右边竖插三个风扇冷却模块；所述每块主板上的器件平均分成两组，每组均包括一半CPU、一半内存条、一半风扇冷却组件，所述两组器件的12V输入电压相互分开，第一组的10个电源变换器与第一电源插座相连；第二组的10个电源变换器与第二电源插座相连；所述背板上划分成三个区域：左边为一组12V大电流区域，中间为高速信号走线区域，右边为另一组12V大电流区域。

2.根据权利要求1所述的高性能计算机的供电系统，其特征在于，所述左、右两边的12V大电流区域中，采用电源层填充的方式，将印制板层数的一半铺设成传输12V电流的铜箔，另一半铺设成地平面铜箔。