DE112008001665B4

DE112008001665B4 - Dynamische Wandlersteuerung für einen effizienten Betrieb

Info

Publication number: DE112008001665B4
Application number: DE200811001665
Authority: DE
Inventors: Alan M. Green; Alan L. Goodrum
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: GB2464221A; US7895455B2; CN101689070B; GB0922042D0; GB2464221B; CN101689070A; DE112008001665T5; WO2009002383A2; WO2009002383A3; US20080320322A1

Abstract

Verfahren zum dynamischen Managen der Leistungsaufnahme in einem Computersystem, das wenigstens zwei parallele Leistungswandler hat, folgendes umfassend: Bestimmen einer maximalen Leistungskapazität (408) für jeden der Leistungswandler; Überwachen eines oder mehrerer Sensoren zur Bestimmung der Leistungsaufnahme (408) des Computersystems; selektives Abschalten eines oder mehrerer der Leistungswandler (410), falls die Leistungsaufnahme des Computersystems von weniger als allen der parallelen Leistungswandler bereitgestellt werden kann, so dass eine verringerte Anzahl paralleler Leistungswandler angeschaltet bleibt und wenigstens einer der parallelen Leistungswandler im effizientesten Betriebsbereichs arbeitet; Bestimmen einer verringerten maximalen Leistungskapazität (410) der verringerten eistungsdeckelungswerts (410) für das Computersystem, der kleiner oder gleich der verringerten maximalen Leistungskapazität ist; und Drosseln des Computersystems (412), falls die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert erreicht, um zu verhindern, dass die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert übersteigt, wobei der Wirkungsgrad der Leistungswandler im Laufe der Zeit überwacht wird, indem...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Computersysteme und insbesondere Computersysteme mit mehreren Wechselstrom-zu-Gleichstrom (AC-zu-DC) Wandlern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Server ist ein mit einem Netzwerk verbundener Computer mit Komponenten ähnlich einem typischen Personal Computer (PC), wie etwa einem Mikroprozessor, Speicherbausteinen und Plattenlaufwerken. Da jedoch der Server mit anderen Computern kommuniziert, sind Tastatur und Bildschirm nicht notwendig. Ebenso wie der typische PC, hat der Server eine Stromversorgung und muss eine Wärmemenge abführen, die in etwa gleich der gesamten dem Gerät zugeführten elektrischen Leistung ist. Ein typisches Rack bzw. Schrank ist 24 bis 30 Zoll breit, 36 bis 44 Zoll lang, 76 Zoll hoch und kann bis zu 42HE an Computerausrüstung aufnehmen. „HE” ist eine Standardeinheit, die die Hohe des Computerservers angibt. Jede „HE” beträgt 1,75 Zoll. Ein 5HE-Server ist 8,75 Zoll hoch, womit acht 5HE-Server ein 42HE-Rack füllen. Wie bei den meisten elektronischen Geräten hat die Verarbeitungsleistung und die Raumausnutzung der Server in den letzten einigen Jahren erheblich zugenommen.
Da die Server kompakter und effizienter geworden sind, passen mehr Server in das Rack oder den Schrank. Ein vor fünf Jahren installierter 42HE-Schrank mit drei HE Servern hat eine Gesamtkühlungsbelastung von 3 kW bis 4 kW, in etwa eine Tonne Kühlleistung auf sechs Quadratfüße. Heutzutage kann derselbe Schrank mit 7HE Blade-Servern bestückt werden, die eine gesamte Leistungsaufnahme von mehr als 20 kW haben, oder mehr als 5,5 Tonnen Kühlleistung für dieselben sechs Quadratfüße. Ein typisches Firmenrechenzentrum kann mehrere hundert Schränke haben. Beispielsweise hat ein veralteter Computerraum, der für 400 2,0-kW-Racks ausgelegt ist, eine Geräte-Kühlungsbelastung von 800 kW Kühlleistung. Wenn die veralteten Server in den 400 Racks durch 200 Racks mit zum Beispiel jeweils 12 kW ersetzt werden, erhöht sich die Gerätelast von weniger als 250 Tonnen auf mehr als 680 Tonnen, mit der halben Anzahl an Racks. Werden alle 400 Racks auf 12 kW aufgerüstet, steigt die Leistung des Kühlungssystems auf 1365 Tonnen! Es ist zwingend erforderlich eine Gesamtplanung für höchste Leistungs- und Kühlungsfähigkeiten zu erstellen, sowie eine obere Grenze für die maximale Leistungsaufnahme in einem einzelnen Rack oder Schrank festzulegen.
Die Bereitstellung einer Stromversorgung mit Ersatzmöglichkeiten oder Redundanz für Computersysteme oder Server ist bei bestimmten Anwendungen wünschenswert oder erforderlich. Beispielsweise wird es immer wichtiger eine Technik zu haben, die ungeplante „Ausfallzeiten” in Rechenzentren minimiert. Der Begriff „Hochverfügbarkeits” (HA, high availability) Computertechnik wird oftmals verwendet, um Computersysteme zu bezeichnen, die diese Mechanismen umfassen.
HA-Mechanismen werden auf vielen Ebenen bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Rechenzentrum redundante Computersysteme haben, so dass falls eines ausfällt, die Arbeitslast nahtlos auf ein anderes System verlagert werden kann. Zusätzlich können Daten in einem Disk-Array-Subsystem gespeichert werden, in dem jede einzelne Platte ausfallen kann, ohne die Fähigkeit des Disk-Array-Subsystems den Betrieb weiterzuführen zu beeinträchtigen.
Einer der wichtigsten Aspekte der HA-Computertechnik ist es, sicherzustellen, dass die Computerschaltkreise eine ununterbrochene Zufuhr an Gleichstromleistung erhalten. Typischerweise wird ein Ausfall der Gleichstromversorgung durch einen Ausfall der Wechselstromversorgung der AC-zu-DC-Stromversorgungen oder einen Ausfall einer AC-zu-DC-Stromversorgung verursacht. Unterbrechungsfreie Wechselstromversorgungen beheben das Problem eines Ausfalls der Wechselstromzufuhr, indem sie eine konstante Wechselstromversorgung für die AC-zu-DC-Stromversorgungen bereitstellen. Typischerweise werden unterbrechungsfreie Stromversorgungen mittels wiederaufladbarer Akkumulatoren und in einigen Fällen Generatoren realisiert.
Redundante AC-zu-DC-Stromversorgungen beheben das Problem eines Ausfalls der AC-zu-DC-Stromversorgung. Im bisherigen Stand der Technik wurden redundante Stromversorgungen auf einer „pro System”-Basis eingesetzt. Typischerweise wird eine redundante Stromversorgung für jedes System bereitgestellt, was dem Fachmann als „N + 1”-Redundanz bekannt ist.
Computersysteme setzen auch DC-DC-Wandlung ein, da es in vielen Fällen effizienter ist, eine AC-DC-Wandlung auf eine einzige hohe DC-Spannung (typisch 48 V) vorzunehmen und dann diese Spannung über Gleichspannungsschienen zu Abwärtswandlern der zweiten Stufe weiterzuleiten. In vielen Fällen müssen auch diese DC-DC-Wandlungsvorrichtungen redundant ausgelegt werden.
Die Druckschrift US 2005/0067902 A1 beschreibt eine Stromversorgungssteuerung z. B. für Server, bei der in Abhängigkeit von abgegebenen Leistung einzelne Stromversorgungseinheiten abgeschaltet werden, um deren Betrieb in einem gewünschten Wirkungsgradbereich zu erzielen. Beim Einschieben eines zusätzlichen Servers in ein Serverchassis wird dieser nicht automatisch hochgefahren; vielmehr entscheidet die Steuerung, ob der zusätzliche Server die benötigte Leistung bekommt (Abs. [0029]).
Die Druckschrift US 2005/0172157 A1 betrifft eine redundant ausgelegte Stromversorgung z. B. für einen Prozessor. Sind beispielsweise zwei Stromversorgungseinheiten vorhanden, so müssten diese bei vollständig redundanter Auslegung beide auf den Maximalverbrauch des Prozessors ausgelegt sein, damit eine z. B. bei Ausfall der anderen die gesamte Stromversorgung übernehmen kann. Die Druckschrift schlägt hingegen vor, die Stromversorgungseinheiten nicht auf den Maximalverbrauch auszulegen, sondern auf einen geringeren Verbrauch, und bei einem derartigen Ausfall die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors herab zu setzen, um dessen Verbrauch entsprechend der besagten Auslegung zu verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ein energieeffizienter Betrieb der Stromversorgung von Computersystemen über längere Zeit gewährleistet bleibt. Dazu gehört auch die Bereitstellung eines entsprechend eingerichteten Computersystems.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es werden nun besondere Ausführungsformen gemäß der Erfindung beschrieben, wobei diese nur beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben sind, in der:
1 ein Blockdiagramm eines Computersystems mit mehreren parallelen AC-zu-DC-Wandlern darstellt, wobei die Leistungsaufnahme an einer zentralen Stelle ermittelt wird;
2 ein Blockdiagramm eines Computersystems mit mehreren parallelen AC-zu-DC-Wandlern und mehreren DC-zu-DC-Wandlern darstellt, wobei die Ermittlung der Leistungsaufnahme verteilt stattfindet;
3 Wirkungsgradkurven für zwei repräsentative Leistungswandler umfasst;
4 ein Flussdiagramm darstellt, das den Betrieb des dynamischen Leistungsmanagements in den Systemen aus 1 und 2 veranschaulicht;
5 eine weitere Eigenschaft des Schemas des dynamischen Leistungsmanagements aus 4 darstellt;
6 einen schematischen Plan einer Steuerungsschaltung für Zustandsanzeigen für die Leistungswandler aus 1 und 2 darstellt; und
7 ein Blockdiagramm eines Computersystems mit mehreren parallelen AC-zu-DC-Wandlern, die mehrere Server versorgen, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Zur Steuerung und Verringerung der fortschreitenden Leistungsaufnahme in Computersystemen und Rechenzentren muss jede Komponente des Computersystems berücksichtigt werden. Die AC-zu-DC-Wandler, die für die Stromversorgung eines Computersystems eingesetzt werden, haben eine Wirkungsgradkennlinie, die beschreibt, wie viel Eingangsleistung benötigt wird, um eine bestimmte Ausgangsleistung bereitzustellen. Beispielsweise würde ein Wandler, der eine Wirkungsgradkennlinie von 80% bei 100 W Ausgangsleistung hat, 100 W/80% = 125 W Eingangsleistung erfordern, um diese Ausgangsleistung zu erreichen. Wirkungsgradkennlinien sind weder linear noch gleichförmig. Es sind Kurven, die im Wirkungsgrad von niedrigen Leistungen aus zunehmen, bei höherer Leistung den Höchstwert erreichen und dann im Allgemeinen bei der maximalen Ausgangsleistung abfallen. 3 zeigt die Wirkungsgradkurven 300, 302 zweier repräsentativer Leistungswandler. Es ist klar, dass das Halten des Betriebszustands des Leistungswandlers im höheren Wirkungsgradbereich weniger Verlustleistung erfordert. Für ein Rack mit 20 Servern, die alle im Abschnitt der Kurve mit 79% Wirkungsgrad arbeiten, muss das Rechenzentrum beispielsweise 21% mehr Eingangsleistung aufbringen, als tatsächlich für den Betrieb der Schaltungen im Server benötigt wird.
Computersysteme haben typischerweise mehrere Leistungswandler, die aus Gründen der Kapazität und Redundanz parallel angeschlossen sind. Die Kapazität der Leistungswandler muss ausreichen, um die Leistung bereitzustellen, die vom Computer angefordert wird, wenn er mit maximalem Durchsatz arbeitet. Zur Fehlertoleranz und aus Gründen einer hohen Verfügbarkeit sind jedoch zusätzliche Wandler vorgesehen, so dass falls einer oder mehrere ausfallen, immer noch genügend Kapazität vorhanden ist, um die Anforderungen des Computersystems zu erfüllen. Viele Systeme haben eine volle Redundanz, bei der ein Satz von Leistungswandlern mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und ein weiterer Satz von Wandlern mit einer getrennten Wechselstromquelle verbunden ist, so dass ein Ausfall in einem der Wechselstromsysteme den Betrieb des Computersystems nicht beeinträchtigt. Beispielsweise könnte ein Server, der 1000 W bei vollem Durchsatz verbraucht, zwei parallel angeschlossene AC-zu-DC-Wandler haben, von denen jeder eine maximale Leistung von 1000 W bereitstellen kann. In dieser Anordnung wird jeder Wandler im Allgemeinen 500 W liefern. Erneut mit Bezug auf 3 gilt, dass falls Wandler vom Typ A verwendet werden, das System mit etwa 90% Wirkungsgrad arbeitet, wie durch den Punkt 310 angezeigt wird. Somit kann, falls einer ausfällt, der andere immer noch die Stromverbrauchsanforderungen erfüllen.
Oftmals wird das Computersystem jedoch nicht mit maximalem Durchsatz arbeiten. Entsprechend können in einem Rechenzentrum Dutzende oder Hunderte von Servern leer laufen oder auf niedrigen Energieverbrauchsstufen arbeiten, während andere Server im Rechenzentrum die Verarbeitungslast tragen. In diesen Situationen arbeitet eine große Anzahl von Leistungswandlern bei schlechten Wirkungsgradpunkten. Arbeitet der Computer beispielsweise auf einer Energieverbrauchsstufe, die lediglich 400 W benötigt, dann liefert jeder der Wandler nur 200 W und das System arbeitet mit nur 83% Wirkungsgrad, wie im Punkt 312 angegeben ist. Es wurde nun entdeckt, dass durch das Abschalten eines der beiden AC-zu-DC-Wandler, wobei jeder zuvor 200 W von den gesamten 400 W an das System lieferte, der verbleibende AC-zu-DC-Wandler, der aktiv ist, die vollen 400 W liefert, wodurch das System einen Wirkungsgrad von 89% erreicht, mit nur 11% Verlustanteil. Diese Verringerung an elektrischen Verlusten bewirkt, dass für Racks, die mehrere dieser Server beinhalten, die Zuteilung von weniger Leistung erforderlich ist. Dies kann ebenfalls Kosteneinsparungen durch eine Verringerung der Elektrizitätskosten bewirken. Falls ein Server mehr als einen AC-zu-DC-Wandler parallel installiert hat, kann ein System zum dynamischen Leistungsmanagement erfassen, wie viel Energie der Server verbraucht und dynamisch Wandler an- und abschalten, in dem Bemühen die Last auf jedem Wandler in der Nähe seines maximalen Wirkungsgradpunktes zu halten.
1 ist ein Blockdiagramm eines Computersystems 100 mit mehreren parallelen AC-zu-DC-Wandlern 102a–102n. In diesem System ist der 12 V Gleichspannungsausgang jedes der Leistungswandler parallel angeschlossen und wird dem Server über eine elektronische Sicherung 104 zugeführt. Jeder Wandler 102a–102n umfasst Lastausgleichsschaltungen, so dass die Gesamtlast in etwa gleichmäßig auf jeden der Wandler verteilt wird. Ein Spannungsregelungsmodul (VRM) 106 stellt eine Hilfsspannung (Vaux) zur Verfügung, die im Allgemeinen selbst dann zur Verfügung steht, wenn die Haupt-Systemstromversorgung nicht eingeschaltet ist. Ein DC-zu-DC-Wandler 108 erhält die lokale 12 V Gleichspannungsausgabe und wandelt sie in welche Spannung Vcc auch immer erforderlich ist, um die verschiedenen Komponenten des Servers zu betreiben. An jeden Leistungswandler ist eine LED angeschlossen und zeigt den Betriebszustand des Wandlers an.
Der Hauptverarbeitungsteil des Servers 100 umfasst einen CPU-Speicher-Komplex 110, einen Prozessorchipsatz 112 und nicht-flüchtigen Nur-Lese-Speicher (ROM) 114, der verschiedene Firmware Ausführungsroutinen speichert, wie etwa „Power an Selbsttest” (POST) und Interruptroutinen für den System Management Mode (SMI). Der CPU-Speicher-Komplex 110 ist repräsentativ für ein CPU- und Speicher-System eines Servers und verschiedene Ausführungsformen des Servers 100 können verschiedene Konfigurationen der CPUs, des Hauptspeichers, Cache und nicht-flüchtigen Speichers haben, die im repräsentativen CPU-Speicher-Komplex 110 enthalten sind. In dieser Ausführungsform ist der Prozessorchipsatz mit dem Industriestandard der Intel x86-Architektur kompatibel; die hier beschriebene Technik zum dynamischen Leistungsmanagement ist jedoch nicht auf x86-Systeme beschränkt. Verschiedene Ausführungsformen des Servers können einen, zwei oder mehr Prozessorchipsätze oder ein, zwei oder mehr Prozessorkerne innerhalb eines einzigen Chipsatzes umfassen. Jeder Typ von Prozessorsystemen, der eine Leistungswandlung beinhaltet, kann von dieser Technik profitieren. Massenspeichergeräte, Netzwerkvorrichtungen und verschiedene andere Hilfsschaltungen sind im Server 100 enthalten, sie sind jedoch in dieser Figur nicht dargestellt.
Ein Managementsubsystem 120 wird von der Hilfsspannung betrieben und ist daher allgemein in Betrieb, selbst dann, wenn der Server nicht lauft. Dieses Subsystem gestattet es, dass der Server von einer entfernten Stelle aus gesteuert wird. Per Konzeption sind Server im Allgemeinen „headless” und umfassen keine Benutzerschnittstelle. Das Managementsubsystem 120 ist mit einem Ethernet-Anschluss 122 oder mit einem anderen Kommunikationskanal verbunden, so dass ein Systemadministrator den Server steuern kann. Das Systemadministrator-Bediengerät kann sich im Rechenzentrum befinden oder das Rechenzentrum kann auch eine „Lights Out” Einrichtung sein und das Administrator-Bediengerät befindet sich an einem entfernten Ort, wie etwa in einem anderen Gebäude oder in einer anderen Stadt.
Das Managementsubsystem 120 kommuniziert mit und steuert ein Stromversorgungs-Überwachungssubsystem 130. Das Überwachungssubsystem 130 umfasst analog/digitale (A/D) Schaltungen 132, 134. A/D 132 ist angeschlossen, um fortlaufend die Spannung des lokalen 12 V Versorgungsbusses zu messen. A/D 134 ist mit der Sicherungskomponente 104 verbunden und misst einen Spannungsabfall über ein serielles Widerstandselement, aus dem die Überwachungsschaltung 130 den Strom ableiten kann, der dem Serversystem 100 zugeführt wird. Mit dem Wissen der Spannung und des Stroms kann das Überwachungssubsystem die momentan vom Server 100 verbrauchte Leistung berechnen. Weitere Ausführungsformen können den Strom unter Verwendung anderer bekannter oder später aufgeführter Techniken und Komponenten erfassen, wie etwa mittels Halleffektgeräten, dem Spannungsabfall über einen Halbleiterübergang, Feldstärkedetektoren etc.
Dies ist tatsächlich eine Messung der Ausgangsleistung der Stromversorgungen und nicht die gesamte vom Server 100 beanspruchte Leistung, die die Leistung einschließen würde, die aufgrund der Ineffizienz der Stromversorgung verloren geht. In einer weiteren Ausführungsform könnte die Eingangsleistung der Stromversorgungen unter Verwendung von Techniken gemessen werden, die ähnlich den oben beschriebenen sind. Die Ausgangsleistung des Leistungswandlers kann dann unter Verwendung einer Wirkungsgradkurve für den Leistungswandler abgeleitet werden, wie dies in 3 dargestellt ist. In ähnlicher Weise kann, falls die Ausgangsleistung der Stromversorgung so wie obenstehend beschrieben gemessen wird, die Eingangsleistung der Stromversorgung unter Verwendung der Wirkungsgradkurve abgeleitet werden. Eine der beiden oder beide Leistungswerte können zur Überwachung des Systembetriebs an das Verwaltungssystem gemeldet werden. Das Überwachungssubsystem 130 ist dafür eingerichtet, die Spannung und den Strom periodisch abzutasten. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme über die Zeit kann daher über das Managementsubsystem 120 bestimmt und an das entfernte Verwaltungssystem gemeldet werden. Die momentanen Energieverbrauchswerte können ebenfalls gesammelt und an das entfernte Verwaltungssystem gemeldet werden, um ein vollständiges Bild der Leistungsaufnahme auf einer Server genauen Basis bereitzustellen.
2 stellt ein Blockdiagramm eines Computersystems 200 mit vier parallelen AC-zu-DC-Wandlern 202a–202d und einer verteilten Erfassung der Leistungsaufnahme dar. Diese Ausführungsform umfasst auch mehrere parallele DC-zu-DC-Wandler 208a–208n. In diesem System ist die 12 V Gleichspannungsausgabe jedes der Leistungswandler parallel verbunden und wird den DC-zu-DC-Wandlern zugeführt, die dann die 12 V Gleichspannung in welche Spannung Vcc auch immer wandeln, die erforderlich ist, um die verschiedenen Komponenten des Servers zu betreiben. Jeder Wandler 202a–202d umfasst eine Lastausgleichsschaltung, so dass die Gesamtlast in etwa gleichmäßig auf jeden der Wandler verteilt wird. Ein Spannungsregelungsmodul (VRM) 206 stellt eine Hilfsspannung (Vaux) zur Verfügung, die im Allgemeinen selbst dann zur Verfügung steht, wenn die Haupt-Systemstromversorgung nicht eingeschaltet ist.
Der Hauptverarbeitungsteil des Servers 200 umfasst einen CPU-Speicher-Komplex 210, einen Prozessorchipsatz 212 und nicht-flüchtigen Nur-Lese-Speicher (ROM) 214, der verschiedene Firmware Ausführungsroutinen speichert, wie etwa „Power an Selbsttest” (POST) und Interruptroutinen für den System Management Mode (SMI). Der CPU-Speicher-Komplex 210 ist repräsentativ für ein CPU und Speicher-System eines Servers und verschiedene Ausführungsformen des Servers 200 können verschiedene Konfigurationen der CPUs, des Hauptspeichers, Cache und nicht-flüchtigen Speichers haben, die im repräsentativen CPU-Speicher-Komplex 210 enthalten sind. In dieser Ausführungsform ist der Prozessorchipsatz mit dem Industriestandard der Intel x86-Architektur kompatibel, die hier beschriebene Technik zum dynamischen Leistungsmanagement ist jedoch nicht auf x86-Systeme beschränkt. Jeder Typ von Einzel- oder Mehrprozessorsystemen, der eine Leistungswandlung beinhaltet, kann von dieser Technik profitieren.
Massenspeichergeräte, Netzwerkvorrichtungen und verschiedene andere Hilfsschaltungen sind im Server 200 enthalten, sie sind jedoch in dieser Figur nicht dargestellt.
Ein Managementsubsystem 220 wird von der Hilfsspannung betrieben und ist daher allgemein in Betrieb, selbst dann, wenn der Server nicht läuft. Wie bereits mit Bezug auf 1 besprochen, gestattet es dieses Subsystem, dass der headless Server von einer entfernten Stelle aus über einen Ethernet-Anschluss 222 oder einen anderen Kommunikationskanal gesteuert wird, so dass ein lokal und/oder entfernt sitzender Systemadministrator den Server steuern kann.
Das Managementsubsystem 220 kommuniziert mit und steuert verteilte Stromversorgungs-Überwachungssubsysteme 230a–230d über einen einfache I2C (Inter Integrated Circuit) Kommunikationsbus. Von den Überwachungssubsystemen 230 umfasst jedes analog/digitale (A/D) Schaltungen, die dafür angeschlossen sind, die Ausgangsspannung jedes der parallelen Wandler 202 zu messen und den Strom zu messen, der von jedem der parallelen Wandler 202 geliefert wird. Mit dem Wissen der Spannung und des Stroms, die von jedem der Wandler 202 bereitgestellt werden, kann das Überwachungssubsystem die von jedem Leistungswandler bereitgestellte momentane Leistung berechnen und das Managementsubsystem 220 kann dann die gesamte vom Server 200 verbrauchte Leistung bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform kann jedes der Überwachungssysteme 230 den Strom und die Spannung messen, die der Stromversorgung zugeführt werden, um die Eingangsleistung der Stromversorgung zu bestimmen. Unter Verwendung der Wirkungsgradkurve der Stromversorgung kann die vom Leistungswandler abgegebene Leistung abgeleitet werden. Der hier beschriebene dynamische Leistungsmanagementprozess kann so konfiguriert werden, dass entweder die Eingangsleistung der Stromversorgung oder die Ausgangsleistung der Stromversorgung als Maß für die vom Server verbrauchte Leistung verwendet wird.
Das Überwachungssubsystem 230 ist dafür eingerichtet, Spannung und Strom periodisch abzutasten. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme über die Zeit kann daher über das Managementsubsystem 220 bestimmt und an das entfernte Verwaltungssystem gemeldet werden. Die momentanen Energieverbrauchswerte können ebenfalls gesammelt und an das entfernte Verwaltungssystem gemeldet werden, um ein vollständiges Bild der Leistungsaufnahme auf einer Server genauen Basis bereitzustellen.
Weitere Ausführungsformen können mehr als vier parallele Leistungswandler haben. Wie untenstehend ausgeführt, kann es Vorteile haben, wenn eine große Anzahl an Wandlern eingesetzt wird, um den Wirkungsgrad zu optimieren.
Wie obenstehend besprochen, stellt 3 Wirkungsgradkurven für zwei repräsentative Leistungswandler, Wandler A und Wandler B, dar. Wandler A hat eine maximale Kapazität von etwa 1200 W Ausgangsleistung, wohingegen Wandler B eine maximale Kapazität von etwa 1000 W Ausgangsleistung hat. Wie obenstehend besprochen, haben Leistungswandler im Allgemeinen einen niedrigeren Wirkungsgrad, wenn sie bei Leistungswerten betrieben werden, die deutlich unterhalb des maximalen Auslegungspunkts für den Wandler liegen. Typischerweise erreicht der Wirkungsgrad bei einem Arbeitspunkt im mittleren Bereich seinen Höchststand und fällt dann in Richtung der maximalen Ausgangsleistung ab. Wandler A erreicht seinen Höchststand von etwa 91% Wirkungsgrad bei etwa mittlerer Last (600 W) und fällt dann unwesentlich auf etwa 90,5% Wirkungsgrad bei Volllast (1200 W) ab. Wandler B erreicht seinen Höchststand von etwa 88% Wirkungsgrad bei etwa 3/4 Last (750 W) und fällt dann etwas auf etwa 87% Wirkungsgrad bei Volllast (1000 W) ab. Ein Bereich „besten Wirkungsgrads” kann bestimmt werden, indem die Wirkungsgradkurven betrachtet werden. Für Wandler A kann ein guter Wirkungsgradbereich 320 etwas willkürlich zwischen etwa 450 W und Volllast 1200 W definiert werden, wohingegen ein bester Wirkungsgradbereich 322 zwischen etwa 45% und 55% der Volllast liegt. Ähnlich kann für Wandler B ein guter Wirkungsgradbereich 330 etwas willkürlich zwischen 600 W und 900 W definiert werden, was weniger ist als Volllast, wohingegen ein bester Wirkungsgradbereich 332 zwischen etwa 65% und 85% der Volllast liegt.
Die besten Wirkungsgradbereiche können auch dynamisch bestimmt werden, indem A/D-Schaltungen in jeden Wandler integriert werden (nicht dargestellt), um den Eingangswechselstrom und die Eingangswechselspannung zu messen und damit die Eingangsleistung zu berechnen. Das Managementsubsystem von Server 100 und Server 200 tastet dann die Eingangsleistung jedes Mal ab, wenn es die Wandlerausgangsleistung abtastet, so wie dies obenstehend ausgeführt wurde. Ein Verlauf der Eingangs- und Ausgangsleistung wird dann entweder lokal oder in dem lokalen oder entfernten Verwaltungssystem gespeichert und basierend auf den dynamischen Abtastwerten wird eine Wirkungsgradkurve ausgearbeitet. Dies gestattet es, den Wirkungsgrad der Leistungswandler mit deren Altern über die Zeit zu überwachen. Basierend auf den Daten von jedem Leistungswandler wird ein Arbeitsbereich bestimmt, der den besten Wirkungsgradbereich für diesen Wandler festlegt. Beispielsweise kann das Managementsystem den Punkt des höchsten Wirkungsgrads bestimmen und dann als den besten Bereich denjenigen aller Arbeitspunkte auswählen, die innerhalb 1% vom Höchstwert liegen. Selbstverständlich können auch andere Werte ausgewählt werden, um den besten Bereich zu bestimmen. Das Verwaltungssystem kann einen zu verwendenden Wert beispielsweise vom Administrator anfordern. Der Wert kann für verschiedene Leistungswandler, die von verschiedenen Servern im Rechenzentrum eingesetzt werden, verschieden sein.
Eine Funktion des Hauptprozessors (CPU) 110/210 wird sowohl für die Energieverbrauchseffizienz wie auch für „Power-Capping” (Deckelung) Zwecke eingesetzt. Im Kontrollmodus des Betriebssystems (OS Control Mode) unterstützt das System das dynamische Leistungsmanagement durch den Policymechanismus des Betriebssystems. ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) ist ein offener Industriestandard, der gemeinsam von Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Phoenix und Toshiba entwickelt wurde. ACPI legt Industriestandard-Schnittstellen fest, die eine vom Betriebssystem gesteuerte Konfiguration, ein Leistungsmanagement und thermisches Management von mobilen, Desktop- und Server-Plattformen ermöglichen. In diesem Modus erzeugt das BIOS die erforderlichen ACPI-Tabellen, um es dem Betriebssystem zu ermöglichen, die Leistungsmanagementfunktionen Demand Based Switching von Intel oder PowerNow von AMD zu unterstützen. Für diesen Modus müssen die Systemadministratoren das Betriebssystem konfigurieren, um die betriebssystembasierte Leistungsmanagementfunktion zu aktivieren. Falls das Betriebssystem das dynamische Leistungsmanagement nicht unterstützt oder falls die Funktion nicht durch das Betriebssystem konfiguriert wurde, wird der Prozessor immer in seinem höchsten Leistungsverbrauchs- und Leistungsfähigkeitszustand laufen, solange nicht der dynamische Powermodus aktiviert ist.
CPU Leistungsfähigkeitszustände (P-states, performance states) ermöglichen es privilegierter Software, die Frequenz und Spannung der CPU unter lediglich einer oder aber auch fünf oder sechs Einstellungen auszuwählen. P-states werden üblicherweise anfangend bei Po (Zustand mit der höchsten Leistungsfähigkeit und Leistungsaufnahme) zu P₁, P₂ etc. (mit abnehmender Leistungsfähigkeit und Leistungsaufnahme) nummeriert. P₀ wird üblicherweise als der „höchste P-state” bezeichnet und P_n (n > 0) als ein „niedrigerer P-state”.
Es ist zu erwarten, dass andere Subsysteme, wie etwa Speicher und Festplatte, den P-states entsprechende Funktionen erhalten werden, die zwischen Leistungsfähigkeit und Energieverbrauch ausgleichen. Wenn solche Funktionen verfügbar sind, können sie zusammen mit P-states in derselben Weise wie hier beschrieben verwendet werden, um den Energieverbrauch/Leistungsfähigkeits-Kompromiss auf der Systemebene zu verbessern.
Eine Änderung des Leistungszustands (also der Prozessorfrequenz und Prozessorspannung) ermöglicht es dem Prozessor auf unterschiedlichen Energieverbrauchsstufen zu arbeiten. Die Server 100/200 haben zwei Mechanismen zur Begrenzung ihrer Leistungsfähigkeit und des dazugehörigen Energieverbrauchs, Prozessor-P-states und das Modulieren des STPCLK (stop clock) für die CPU. P-states sind über das ROM-BIOS programmierbar. Für das Power-Capping werden die STPCLK-Modulationsprozentanteile (der Bruchteil an Zeitdauer, in der der Takt angehalten wird) auf n/8 gesetzt, wobei n eine Ganzzahl zwischen 0 und 7 (einschließlich) ist, indem das ROM-BIOS in Register im System-Chipsatz schreibt. Ebenso kann STPCLK oder ein gleichwertiger Eingangspin durch einen Controller angesteuert werden, der als PAL 124/224 implementiert ist. Somit kann durch den gleichzeitigen Einsatz von sowohl P-states wie auch der Modulation des STPCLK ein breiter Bereich der Systemleistungsfähigkeit und damit der Leistungsaufnahme durch auf dem Server laufende Managementsoftware und Firmware realisiert werden.
Die Leistungsaufnahme des Servers wird auch durch andere Größen als die Arbeitslast beeinflusst. Beispielsweise kann es sein, dass bei steigender Umgebungstemperatur die Kühlungsventilatoren zur Kühlung des Servers schneller drehen müssen, obwohl die Arbeitlast gleich bleibt. Außerdem gilt, dass wenn die Temperatur der CPUs steigt, ihre Leistungsaufnahme steigt. Ebenso verbrauchen unterschiedliche Befehlssequenzen unterschiedliche Leistungsmengen, obwohl es scheinen kann, dass sie die CPUs in gleichem Maße belasten (gleiche CPU-Auslastung). Die hier beschriebenen Power-Capping-Algorithmen sollten alle Kombinationen an Faktoren einschließen, die den Gesamtenergieverbrauch des Servers beeinflussen können.
Im Manager 120/220 wird von einer Routine zur Energieverbrauchsregelung zur Überwachung der Prozessoraktivität ein ROM-basierter Algorithmus eingesetzt. Er stellt die Leistungsnutzung des Prozessors ein, um die Energieverbrauchsstufe an die Anwendungslast anzupassen. Der dynamische Energiesparmodus kann unabhängig davon unterstützt werden, ob ein Betriebssystem Demand Based Switching von Intel oder PowerNow von AMD unterstützt und unabhängig davon, welches Betriebssystem auf dem Server läuft.
Die Energieverbrauchsregelung bestimmt die Zeitdauer, die der Prozessor in der Leerlaufschleife des Betriebssystems läuft. Wenn das Verhältnis der Zeitdauer, die in der Leerlaufschleife zugebracht wird, zu der Zeitdauer, in der nützliche Arbeit verrichtet wird, hoch ist, dann weist der Algorithmus des Prozessor an, seinen Leistungszustand auf P_min zu setzen (den Modus mir der niedrigsten Leistungsaufnahme und Leistungsfähigkeit des Prozessors). Umgekehrt gilt, dass wenn der Algorithmus ein niedriges Verhältnis feststellt, was eine hohe Anwendungslast anzeigt, der Prozessor in Echtzeit auf P_max umgeschaltet wird (den Modus mir der höchsten Leistungsaufnahme und Leistungsfähigkeit des Prozessors). Die Überwachung und Einstellung der P-states wird für jeden Prozessor in einem System unabhängig ausgeführt. Der dynamische Energiesparmodus gestattet es dem Prozessor, in einem niedrigen Leistungszustand zu arbeiten, wenn keine hohe Prozessor-Leistungsfähigkeit benötigt wird und in einem hohen Leistungszustand, wenn eine hohe Prozessor-Leistungsfähigkeit benötigt wird. Der dynamische Energiesparmodus arbeitet für alle Betriebssysteme, einschließlich VMware, und erfordert keine Betriebssystemkonfiguration.
Die CPU-Auslastung wird bestimmt, indem ein Performance-Ereigniszähler (performance event counter) ausgelesen wird, der sich im Prozessor befindet und der dafür programmiert ist, NON-HALTED Taktzyklen zu erfassen. Dies ist ein wichtiges zu sammelndes Ereignis, da heutzutage verbreitete, moderne Betriebssysteme eine HIT-Anweisung ausführen, wenn sie leer laufen, anstatt sich in einer Leerlaufschleife zu drehen und auf Arbeit zu warten. Die Ausführung der HIT-Anweisung während des Leerlaufs bringt den Prozessor automatisch runter in einen Zustand niedriger Leistungsaufnahme, der als C1E bezeichnet wird, und stoppt das Inkrementieren des Ereigniszählers für NON-HALTED Takte. Der Ereigniszähler ist dafür programmiert, NON-HALTED Taktzyklen im Kernel- und Usermodus zu zählen, um die der Systemsoftware zugeordnete Prozessorauslastung richtig zu erfassen. Daher wird alle Prozessoraktivität (Kernelmodus und Usermodus) berücksichtigt, um Entscheidungen bezüglich des Leistungszustands zu treffen. Ein Interrupt holt den Prozessor aus der HLT-Anweisung heraus und stellt den vorherigen Leistungszustand wieder her.
Der Algorithmus zur Energieverbrauchsregelung überwacht die Anwendungs- und Prozessorlast kontinuierlich alle 125 ms in dieser Ausführungsform. Diese im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung bewirkt optimierte P-state-Übergänge. Die momentanen und mittleren P-state-Daten können auf einem Bildschirm in der lokalen oder entfernten Verwaltungskonsole angezeigt werden.
Jeder Server 100 und 200 umfasst eine Schaltung in Programmierbarer Array Logik (PAL) 124/224, die durch das Managementsubsystem gesteuert wird und mit dem Chipsatz und weiteren Kontrollpunkten im Server verbunden ist, um das Power-Capping zu implementieren. Im Server 200 ist zur Verbesserung der Genauigkeit die Leistungsmessung 230 in die Stromversorgung integriert. Da jedoch dieses genaue Leistungsmessgerät für elektrische Deckelungsanforderungen zu langsam ist, überwacht ein elektrischer Capping-Mikrocomputer (uC) im Managementsubsystem 220 die analoge Ausgangsleistung der Stromversorgungen, die proportional zum Ausgangsstrom ist. Der Manager 120 leistet für den Server 100 dieselbe Funktion.
Ein Zweck einer elektrischen Deckelung für die Server ist es, die Leistungsaufnahme des Servers derart zu begrenzen, dass sich ändernde Arbeitslasten auf dem Server zu keinen elektrischen Problemen für das Rechenzentrum, wie etwa auslösende Überlastschalter, führen. Da Auslösezeiten für Überlastschalter für gewöhnlich einige Dutzend oder einige Hundert ms bei einer Last von 200% betragen, jedoch manchmal unter 100 ms liegen, schränkt die elektrische Deckelung die maximale Zeitdauer oberhalb der Begrenzung auf ~50 ms ein. Im Allgemeinen ist es das Designziel für eine elektrische Deckelung für Server 100/200, kurzzeitige Spitzen über der Deckelung so zu begrenzen, dass sie nicht größer (in Amplitude und Dauer) als der Einschaltstromstoß der Stromversorgung sind. Indem man unterhalb dieser Grenze bleibt, werden für das Rechenzentrum keine neuen Anforderungen an die Überlastschutz-Bemessungen oder die Zeitsteuerung eingeführt. Typischerweise kann ein Einschaltstromstoß von in etwa dem dreifachen des Arbeitsstroms für bis zu 0,1 ms und bis zu 50% über dem Arbeitsstrom für einige ms toleriert werden.
Experimente, die auf einer Ausführungsform des Servers 200 ausgeführt wurden, zeigen, dass ein uC, der mit einer Abtastrate von 1 kHz und einer n/256 Taktverhältnissteuerung des STPCLK läuft, die überschießenden Spitzen der Ausgangsleistung der Stromversorgung auf 25 W (weniger als % A bei 110 VAC) und 3 ms begrenzen kann.
Die elektrische Deckelung wird auch eingesetzt, um zu verhindern, dass die Leistungsaufnahme der Server die Kapazität der Leistungswandler übersteigt, die die Gleichstromversorgung des Servers bereitstellen. So wie oben beschrieben gilt, dass wenn ein Server nicht mit voller Kapazität arbeitet, das Managementsystem ihn in einen niedrigeren Energieverbrauchsmodus schalten und ein oder mehrere parallele Leistungswandler abschalten oder leer laufen lassen kann, um damit zu erreichen, dass die verbleibenden aktiven Leistungswandler mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten. Es wird dann für den Server eine Leistungsdeckelung festgesetzt, so dass ein plötzlicher Anstieg der Leistungsaufnahme die verbleibenden aktiven Leistungswandler nicht überlastet.
Dieser Arbeitsmodus wird hier als dynamisches Leistungsmanagement bezeichnet. Der Umfang der überschreitenden Spitzen, der toleriert werden kann, hängt vom Aufbau und der Kühlungskapazität einer bestimmten Stromversorgung ab und wird in verschiedenen Server-Ausführungsformen variieren. Im Allgemeinen ist es ein gutes Ziel, ein Überschreiten so zu minimieren, dass es nicht länger als 3–5 ms dauert, mit einer Amplitude von weniger als 10% der maximalen Kapazität der Leistungswandler. Dies wird im Allgemeinen eine spezielle Power-Capping-Schaltung erfordern, um eine passende zeitliche Antwort zu ermöglichen.
4 ist ein Flussdiagramm, das die Arbeit eines dynamischen Leistungsmanagementprozesses 400 in den Systemen aus 1 und 2 veranschaulicht. Die Server 100/200 arbeiten unter Verwendung des gewöhnlichen ACPI-Standards. Wenn die Wechselstromleistung zur Verfügung steht, befindet sich das System im ACPI-Zustand S5, 402. Wenn ein Einschaltereignis für den Server empfangen wird, wechselt das System in den Gleichstromversorgung-an-Zustand S0, 404. Bei 406 wird ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob für den Server mehr als ein AC-zu-DC-Leistungswandler zur Verfügung steht. Das Managementsubsystem 120/220 kann über einen I2C-Bus oder andere Mechanismen Zustandsbits oder andere Indikatoren abfragen, um zu bestimmen, wie viele Leistungswandler verfügbar sind.
Falls mehr als ein Wandler verfügbar ist, bestimmt der Prozess 408, ob weniger als alle Wandler den momentanen Serverstrombedarf liefern können. Der augenblickliche momentane Verbrauch des Servers wird wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben bestimmt. Die Kapazität der Leistungswandler wird bestimmt, indem auf einen für jeden Wandler gespeicherten Kapazitätswert zugegriffen wird. In einigen Ausführungsformen kann dieser Wert durch den Systemadministrator bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird dieser Wert von einer nicht-flüchtigen Speicherschaltung bereitgestellt, die im Leistungskonverter enthalten ist und die für das Managementsubsystem zugänglich ist. Beispielsweise kann das Managementsubsystem 220 über den I2C-Bus auf einen gespeicherten Kapazitätswert in einem EPROM (löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher, erasable programmble read only memory) oder einem EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher), der sich im Leistungswandler 202a–202d befindet, zugreifen.
Falls die momentane Höhe der Leistungsaufnahme des Servers von weniger als allen der verfügbaren Leistungswandler bereitgestellt werden kann, bestimmt der Prozess 410 die Leistungskapazität einer verringerten Anzahl von Leistungswandlern, er legt eine Leistungsdeckelung auf oder unterhalb dieses Werts fest und er schaltet dann die momentan nicht benötigten Wandler ab oder versetzt sie anderweitig in einen inaktiven oder Standby-Modus. Durch das Festlegen der Leistungsdeckelung auf oder unterhalb des verringerten Kapazitätswerts der Leistungswandler wird eine Absicherung eingerichtet, die den Server davor schützt, die verringerte Anzahl an Wandlern zu überlasten, falls eine plötzliche Anforderung für einen Anstieg in der Leistungsaufnahme auftreten sollte.
Sobald eine Leistungsdeckelung eingerichtet ist, überwacht der Prozess 412 kontinuierlich das Serversystem, um zu bestimmen, ob ein Anstieg der Leistungsnachfrage derart auftritt, dass der momentane Verbrauch bis zu einem Punkt angestiegen ist, dass der augenblickliche momentane Verbrauch gleich oder sehr nahe an dem Leistungsdeckelungswert ist. Falls die Leistungsaufnahme bei oder nahe dem Leistungsdeckelungswert ist, führt Prozess 414 den Leistungsdeckelungsprozess aus, um das Serversystem zu drosseln, so dass die Leistungsaufnahme die Deckelung nicht übersteigt, so wie dies obenstehend beschrieben ist. Es versteht sich, dass ein kurzes Überschießen der Leistungsaufnahme auftreten kann während die Drosselung aktiv ist, jedoch wird, so wie oben beschrieben, das Überschießen in Amplitude und Dauer gering sein und es wird keine Überlastung der Leistungswandler verursachen.
Der Prozess 416 schaltet dann einen oder mehrere zusätzliche Leistungswandler ein oder aktiviert sie anderweitig, um die zusätzliche Leistungsnachfrage bereitzustellen. Der Prozess 418 hebt die Leistungsdeckelung an, damit sie mit der zusätzlichen Leistungskapazität vereinbar ist, und gestattet es hierdurch, dass der Drosselungsprozess 414 beendet wird.
Der dynamische Leistungsmanagementprozess 400 kehrt dann zu Prozess 408 zurück und überwacht kontinuierlich die momentane Leistungsaufnahme des Servers, um zu bestimmen, wann die Leistungsnachfrage genügend abgesunken ist, um den Prozess zu wiederholen einen oder mehrere Wandler außer Betrieb in einen Standby- oder abgeschalteten Modus zu setzen.
Es sind auch mehrstufige Versionen des dynamischen Leistungsmanagementprozesses möglich, in denen mehrere Quellen eine nach der anderen abgeschaltet werden, wenn die Leistung absinkt, und eine nach der anderen wieder angeschaltet werden, wenn die Leistung ansteigt. In solchen Fällen würde die Überwachungsschleife auf jeder Stufe sowohl den Bedarf abfragen, ob mehr Quellen zuzuschalten sind, wie auch die Möglichkeit abfragen, ob mehr Quellen abzuschalten sind.
Der Zustand der verschiedenen Leistungswandler, Leistungsdeckelungswerte sowie der momentanen und mittleren Leistungsaufnahme kann über das Managementsubsystem an das lokale oder entfernte Verwaltungssystem gemeldet werden, so dass der Administrator den Betrieb des dynamischen Leistungsmanagementprozesses überwachen kann.
Eine weitere Eigenschaft des dynamischen Leistungsmanagementprozesses wird im Punkt 420 dargestellt und mit Bezug auf 5 beschrieben. Wie oben beschrieben, stellt ein Serversystem aus Redundanzgründen im Allgemeinen zwei Leistungswandler bereit, so dass das System selbst dann noch mit voller Leistungsfähigkeit arbeiten kann, wenn ein Wandler ausfällt. Die Anzahl der Leistungswandler kann erhöht werden, falls es kostengünstiger ist, mehr Wandler mit geringer Kapazität parallel geschaltet bereitzustellen als zwei Wandler mit voller Kapazität. Falls der Server beispielsweise für einen Betrieb mit voller Leistungsfähigkeit 1500 W benötigt, könnten vier Wandler mit 500 W bereitgestellt werden. In diesem Fall können, selbst wenn ein Wandler ausfällt, die verbleibenden drei immer noch die volle Leistungsnachfrage befriedigen.
Es kann auch eine größere Anzahl Wandler bereitgestellt werden, um eine Funktion des dynamischen Leistungsmanagementprozesses mit feinerer Abstufung zu ermöglichen. Nochmals mit Bezug auf 3 ist zu bemerken, dass der Bereich 320 einen Arbeitsbereich für den Leistungswandler A anzeigt, der einen guten Wirkungsgrad zwischen etwa 40% bis 100% der vollen Kapazität hat, während sein Bereich besten Wirkungsgrads 322 zwischen etwa 45% und 55% der Volllast liegt. Entsprechend zeigt der Bereich 330 einen guten Arbeitsbereich für den Leistungswandler B an, der zwischen etwa 60% und 90% der vollen Kapazität liegt, während sein Bereich besten Wirkungsgrads 332 zwischen etwa 65% und 85% der Volllast liegt. Selbstverständlich können andere Wandler Bereiche guten und besten Wirkungsgrads haben, die von diesen beiden repräsentativen Wandlern verschieden sind.
Im obenstehenden Beispiel eines Systems mit vier 500 W Wandlern kann, wenn das System mit voller Leistungsfähigkeit läuft, die 1500 W anfordert, ein Wandler abgeschaltet werden und die anderen drei können immer noch die vollen 1500 W liefern; durch die Bestimmung des Bereichs besten Wirkungsgrads der Wandler, wie in 502 dargestellt, könnte jedoch festgestellt werden, dass ein Bereich besten Wirkungsgrads beispielsweise zwischen 65%–85% liegt. Für jeden 500 W Wandler würde dies zwischen 325 und 425 W liegen. Daher können alle vier Wandler mit jeweils 375 W die 1500 W mit besserem Wirkungsgrad liefern als nur drei Wandler mit jeweils 500 W, und daher würden im Prozess 504 vier Wandler ausgewählt werden. Wenn der Leistungspegel jedoch durch weniger Last auf dem System beispielsweise auf 1000 W fällt, wären drei Wandler bei jeweils 333 W effizienter als entweder zwei bei 500 W oder vier bei 250 W und daher würden im Prozess 504 drei ausgewählt.
6 ist eine schematische Darstellung einer Steuerschaltung für Zustandsanzeigen für die Leistungswandler aus 1 und 2. Der Server 100/200 hat Field-Replacable-Unit (feldaustauschbare Einheit) LEDs für jedes austauschbare Teil im Server. In 1 sind diese für die Leistungswandler 102a–102n mit LED bezeichnet. In der Vergangenheit wurden alle AC-zu-DC-Wandler in Reaktion auf den ACPI-Zustand S0 zusammen an- oder ausgeschaltet, wie dies mit Bezug auf 4 besprochen wurde. Wenn ein PS_FAIL# Signal von einem AC-zu-DC-Wandler festgestellt wurde, konnte die Hardware annehmen, dass ein Wandler ausgefallen ist und seine zugehörige LED aufleuchten lassen. Mit einer individuellen Aktivierung der Leistungswandler sieht ein nicht aktivierter AC-zu-DC-Wandler aus, als ob er „fehlerhaft” wäre, da er ein PSx_FAIL# setzt. Die hier beschriebenen Server-Ausführungsformen lassen LEDs fehlerhafter AC-zu-DC-Wandler nur dann aufleuchten, wenn das individuelle PSx_ON# Signal des Wandlers gesetzt ist.
Schaltung 600 wird insgesamt n Mal ausgeführt, eine für jede parallel angeschlossene feldaustauschbare Stromversorgung, die unter dem dynamischen Leistungsmanagementprozess arbeitet. Wenn der ACPI-Zustand S0 angenommen wird, wird PS_ON# gesetzt (logischer Pegel 0), um anzuzeigen, dass alle Leistungswandler anzuschalten sind. In jedem Server ist ein nicht dargestelltes Einschalt (enable) Register der Stromversorgung vorhanden, das durch die Hilfsspannung betrieben wird, so dass es seinen Zustand beibehält, solange die Wechselspannung verfügbar ist (ACPI-Zustand S5). Vom Einschaltregister der Stromversorgung kommt für jeden Leistungswandler im Server ein Ausgangssignal PSx_ENABLED. Das Einschaltregister der Stromversorgung wird vom Managementsubsystem gesteuert, um anzuzeigen, wann jeder Wandler aktiviert oder deaktiviert werden muss, so wie dies obenstehend besprochen wurde. Das Signal PSx_ON# wird vom Gate 604 gesetzt (logische 0), um anzuzeigen, dass die jeweilige Stromversorgung zum Einschalten freigegeben ist. Es sei bemerkt, dass das „x” in den hier verwendeten Signalnamen sich allgemein auf einen der „n” parallel angeschlossenen Leistungswandler bezieht, die mit dem Server verbunden sind.
Das Signal PSx_INST zeigt an, dass eine entsprechende feldaustauschbare Stromversorgung installiert ist. Wenn das Stromversorgungsmodul im Server eingesetzt ist, sorgt eine Schaltung im Modul dafür, dass das PSx_INST Signal für diese Stromversorgung gesetzt wird. Das Managementsubsystem 120/220 kann für jede Stromversorgung auf das PSx_INST Signal zugreifen, um zu bestimmen, wie viele Stromversorgungen installiert sind. Das Signal PSx_FAIL zeigt an, wann die jeweilige Stromversorgung keine Ausgangsspannung abgibt. Falls daher die Stromversorgung entweder ausgeschaltet oder deaktiviert ist, wird dieses Signal gesetzt und würde implizieren, dass die Stromversorgung ausgefallen ist, wenn sie auch nur deaktiviert sein kann.
Ein Latch 602 stellt ein PSx_BAD Signal zur Verfügung, das an die zu jeder Stromversorgung gehörige LED angeschlossen ist, um eine Fehlerbedingung für die zugehörige Stromversorgung anzuzeigen. Das Latch 602 ist transparent, wenn der Latch enable (LE) Eingang logisch 1 ist, so dass wenn PSx_ON# 0 (gesetzt) ist, was anzeigt, dass der jeweilige AC-zu-DC-Wandler aktiviert ist, jedes Setzen des Signals PSx_FAIL# von der jeweiligen Stromversorgung während das Signal PSx_INST von derselben jeweiligen Stromversorgung gesetzt ist, bewirkt, dass der Ausgang von Gate 606 auf High geht, was sich durch das transparente Latch 602 hindurch fortpflanzt und die zugehörige LED veranlasst zu leuchten. PSx_BAD ist an die Anode der LED angeschlossen. Zusätzlich kann Software dies für eine Fehlererfassung überwachen. Auf diese Weise wird eine Fehler-LED nur dann leuchten, wenn der Leistungswandler aktiviert ist, jedoch keine Leistung abgibt.
7 ist ein Blockdiagramm eines Computersystems 700 mit mehreren parallel angeschlossenen AC-zu-DC-Wandlern 702a bis 702n, die eine Gruppe von Servern 740a bis 740n versorgen. Ein solches System ist im Allgemeinen in einem Schrank oder einem anderen Typ von Gestell und Gehäuse untergebracht. Jeder Schrank kann dann beispielsweise in einem Rack-Gehäuse montiert werden. Jeder einzelne Server ist ähnlich zu den Servern, die mit Bezug auf die 1 oder 2 beschrieben wurden, wobei es sich im Allgemeinen um Blade-Server handelt, obwohl auch andere Serverausführungsformen denkbar sind. Die ganze Gruppe von Servern 740a bis 740n erhält die 12 V Gleichspannung des Schranks von den parallel angeschlossenen Leistungswandlern. DC_DC-Wandler 708a bis 708n erhalten die 12 V Gleichspannung des Schranks und wandeln sie in welche Spannung Vcc auch immer erforderlich ist, um die verschiedenen Komponenten des Servers zu betreiben. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen andere Spannungspegel als 12 V verwenden können, um die Schrankpegel-Stromersorgung zu verteilen.
Das Schrankverwaltungssystem 720 überwacht die parallel angeschlossenen Leistungswandler unter Verwendung der Leistungsüberwachungen 730a bis 730n in ähnlicher Weise wie obenstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurde, um zu bestimmen, wie viele installiert und verfügbar sind, die Leistungskapazität und den momentan an die Server gelieferten Strom. Jeder Server umfasst ein Managementsubsystem 720a–n, das die Rechenlast des Servers überwacht und den Leistungseinsatz entsprechend einstellt, in einer Weise ähnlich der oben beschriebenen. Das Verwaltungssystem 720 kann anweisen einen oder mehrere der Leistungswandler abzuschalten oder anderweitig zu deaktivieren, wenn die volle Leistungskapazität nicht gebraucht wird, und dann je nach Bedarf zusätzliche Wandler einzuschalten.
Jeder Server 740 umfasst auch eine Power-Capping-Schaltung 742a–n, die von dem jeweiligen Managementsubsystem 720a–n gesteuert wird, um auf jedem Server eine Drosselung zur Verfügung zu stellen, so dass die Kapazität der aktiven Leistungswandler nicht überschritten wird, wenn ein oder mehrere Leistungswandler abgeschaltet wurden. Das Verwaltungssystem 720 kommuniziert mit den einzelnen Servern über ein Managementinternet und es stellt für jeden Server einen anteiligen Leistungsdeckelungswert bereit, basierend auf der verfügbaren Kapazität der Leistungswandler. Jeder Server umfasst eine lokale Schaltung zur Leistungserfassung 704a–n, die ähnlich der oben beschriebenen Erfassungsschaltung 104 ist. Wenn ein einzelner Server beginnt eine Leistungsmenge zu verbrauchen, die den Deckelungswert übersteigt, dann wird auf diesem Server die Drosselung eingeschaltet, um die Leistungsaufnahme unter den Leistungsdeckelungswert zu verringern.
Wie oben beschrieben, ist das Computersystem 700 typischerweise headless und wird von einem lokalen oder entfernten Verwaltungssystem über die Managementinternetverbindung oder ein anderes geeignetes lokales oder Weitverkehrs-Kommunikationssystem gesteuert. So wie hier verwendet, bezeichnen die Ausdrücke „angeschlossen”, „verbunden” und „Verbindung” eine elektrische Verbindung, wobei sich zusätzliche Elemente im elektrischen Verbindungspfad befinden können. „Zugehörig” bedeutet eine steuernde Beziehung, wie etwa eine Speicherressource, die von einem zugehörigen Port gesteuert wird. Die Ausdrücke gesetzt, Setzen, rückgesetzt, Rücksetzen, negieren und Negation werden verwendet, um Verwechslungen zu vermeiden, wenn eine Mischung aus high-aktiv und low-aktiv Signalen behandelt wird. Setzen und Setzen werden verwendet, um anzuzeigen, dass ein Signal aktiv oder logisch wahr gemacht wird. Rücksetzen, Rücksetzen, negieren und Negation werden verwendet, um anzuzeigen, dass ein Signal inaktiv oder logisch falsch gemacht wird. Der Ausdruck „ausschalten” oder „abschalten” bedeutet abschalten, in den Standby-Modus bringen, deaktivieren oder anderweitig den Leistungswandler in einen nicht aktiven Zustand außer Betrieb oder einen Zustand mit sehr geringer Verlustleistung zu bringen. Ähnlich bedeutet der Ausdruck „einschalten” oder „anschalten” den Leistungswandler in einen aktiven, in Betrieb befindlichen Leistungszustand zu bringen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt diese Beschreibung in einem einschränkenden Sinn auszulegen. Verschiedene weitere Ausführungsformen der Erfindung sind für den Fachmann nach dem Lesen dieser Beschreibung offensichtlich. Beispielsweise können in einer weiteren Ausführungsform die DC-zu-DC-Wandler 208a–208n, so wie in diesem Dokument beschrieben, für einen effizienten Betrieb dynamisch gemanagt werden. In einer weiteren Ausführungsform können parallele Leistungswandler, die Leistung an mehr als einen Server liefern, so wie in diesem Dokument beschrieben, für einen effizienten Betrieb dynamisch gemanagt werden.
In einer weiteren Ausführungsform können parallele Leistungswandler für physische Geräte, wie etwa Festplattenlaufwerke oder Speicherbänke, so wie in diesem Dokument beschrieben, für einen effizienten Betrieb dynamisch gemanagt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine große Anzahl von parallel angeschlossenen Leistungswandlern, so wie in diesem Dokument beschrieben, für einen effizienten Betrieb dynamisch gemanagt werden. Beispielsweise können 110 Leistungswandler, von denen jeder eine Kapazität von 20 W hat, parallel angeschlossen werden, um eine feine Abstufung mit zehn Einheiten Redundanz für eine Last von 2000 W bereitzustellen, und sie können, so wie in diesem Dokument beschrieben, für einen effizienten Betrieb dynamisch gemanagt werden.
In einer weiteren Ausführungsform können die Leistungswandler in redundanten Paaren angeordnet werden, so dass jedes der Paare durch ein separates primäres Wechselstromsystem versorgt wird, um somit eine weitere Ausfallsicherheit zur Verfügung zu stellen, für den Fall, dass eine primäre Wechselstromquelle ausfällt. In einer solchen Anordnung können die Leistungswandler in Paaren an- und abgeschaltet werden, um die Leistung dynamisch zu managen und dabei eine Hot-Standby-Funktion beizubehalten, oder die Leistungswandler können einer nach dem anderen an- und abgeschaltet werden, ohne eine volle Hot-Redundanzfunktion beizubehalten, und dabei kann der hier beschriebene Mechanismus der Leistungsdeckelung und Drosselung verwendet werden, um den Ausfall einer der primären Wechselstromquellen zu behandeln.

Claims

Verfahren zum dynamischen Managen der Leistungsaufnahme in einem Computersystem, das wenigstens zwei parallele Leistungswandler hat, folgendes umfassend: Bestimmen einer maximalen Leistungskapazität (408) für jeden der Leistungswandler; Überwachen eines oder mehrerer Sensoren zur Bestimmung der Leistungsaufnahme (408) des Computersystems; selektives Abschalten eines oder mehrerer der Leistungswandler (410), falls die Leistungsaufnahme des Computersystems von weniger als allen der parallelen Leistungswandler bereitgestellt werden kann, so dass eine verringerte Anzahl paralleler Leistungswandler angeschaltet bleibt und wenigstens einer der parallelen Leistungswandler im effizientesten Betriebsbereichs arbeitet; Bestimmen einer verringerten maximalen Leistungskapazität (410) der verringerten Anzahl paralleler Leistungswandler; Setzen eines Leistungsdeckelungswerts (410) für das Computersystem, der kleiner oder gleich der verringerten maximalen Leistungskapazität ist; und Drosseln des Computersystems (412), falls die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert erreicht, um zu verhindern, dass die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert übersteigt, wobei der Wirkungsgrad der Leistungswandler im Laufe der Zeit überwacht wird, indem die Eingangs- und Ausgangsleistung der Leistungswandler gemessen wird und daraus dynamisch eine Wirkungsgradkurve der Leistungswandler erstellt wird, wobei aus dieser der dem Abschalten der Leistungswandler zugrunde gelegte effizienteste Betriebsbereich für die Leistungswandler bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem folgendes umfassend: Anschalten eines oder mehrerer zusätzlicher paralleler Leistungswandler (416), falls die Leistungsaufnahme des Systems in etwa gleich dem Leistungsdeckelungswert ist; Erhöhen des Leistungsdeckelungswerts (418) in Übereinstimmung mit der zusätzlichen Leistungskapazität der zusätzlichen parallelen Leistungswandler.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem die Steuerung einer Störungsanzeige umfasst, die zu einem der Leistungswandler gehört, derart, dass eine Störung nicht angezeigt wird, wenn der Leistungswandler abgeschaltet ist, dass jedoch eine Störung angezeigt wird, wenn der Leistungswandler aktiviert ist, jedoch keine Leistung erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem das Melden des Leistungsdeckelungswerts und der Zahl der Wandler, die angeschaltet bleiben, an ein entferntes oder ein lokales Verwaltungssystem umfasst.
Computersystem mit einer dynamisch gemanagten Leistungsaufnahme, folgendes umfassend: einen Prozessor- und Speicher-Komplex (110/210), der dafür angeschlossen ist, Leistung von zwei oder mehr parallel angeschlossenen Leistungswandlern zu erhalten; eine Schaltung zum Überwachen der Leistungsaufnahme (130/230) des Computersystems; ein Managementsubsystem (120/220), das mit dem Prozessor und mit den Leistungswandlern verbunden ist und das dafür eingerichtet ist: für jeden der Leistungswandler eine maximale Leistungskapazität zu bestimmen; einen oder mehrere der Leistungswandler selektiv abzuschalten, falls die Leistungsaufnahme des Computersystems von weniger als allen der parallelen Leistungswandler geliefert werden kann, so dass eine verringerte Anzahl paralleler Leistungswandler angeschaltet bleibt und wenigstens einer der parallelen Leistungswandler im effizientesten Betriebsbereichs arbeitet; eine verringerte maximale Leistungskapazität der verringerten Anzahl paralleler Leistungswandler zu bestimmen; und einen Leistungsdeckelungswerts für das Computersystem zu setzen, der kleiner oder gleich der verringerten maximalen Leistungskapazität ist, und den Wirkungsgrad der Leistungswandler im Laufe der Zeit zu überwachen, indem die Eingangs- und Ausgangsleistung der Leistungswandler gemessen wird und daraus dynamisch eine Wirkungsgradkurve der Leistungswandler erstellt wird, wobei aus dieser der dem Abschalten der Leistungswandler zugrunde gelegte effizienteste Betriebsbereich für die Leistungswandler bestimmt wird; und eine Schaltung (124/224), die mit dem Prozessor verbunden ist und auf das Managementsystem reagiert, zur Drosselung des Computersystems, falls die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert erreicht, um zu verhindern, dass die Leistungsaufnahme des Computersystems den Leistungsdeckelungswert übersteigt.
Computersystem nach Anspruch 5, wobei das Managementsystem außerdem für folgendes eingerichtet ist: Anschalten eines oder mehrerer zusätzlicher paralleler Leistungswandler, falls die Leistungsaufnahme des Systems gleich dem Leistungsdeckelungswert ist; und Erhöhen des Leistungsdeckelungswerts in Übereinstimmung mit der zusätzlichen Leistungskapazität der zusätzlichen parallelen Leistungswandler.
Computersystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Managementsystem außerdem für folgendes eingerichtet ist: Wählen einer Anzahl Leistungswandler, die angeschaltet bleiben sollen, so dass wenigstens einer der parallelen Leistungswandler im effizientesten Arbeitsbereich arbeitet.
Computersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, außerdem folgendes umfassend: eine Störungsanzeige (LED), die zu einem der Leistungswandler gehört, eine Schaltung, die zur Steuerung der Störungsanzeige angeschlossen ist, derart, dass eine Störung nicht angezeigt wird, wenn der Leistungswandler abgeschaltet ist, dass jedoch eine Störung angezeigt wird, wenn der Leistungswandler aktiviert ist, jedoch keine Leistung erzeugt.
Computersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das außerdem eine Kommunikationsschaltung umfasst, die mit dem Managementsubsystem verbunden ist, um den Leistungsdeckelungswert und die Zahl der Wandler, die angeschaltet bleiben, an ein entferntes oder ein lokales Verwaltungssystem zu melden.
Computersystem nach Anspruch 9, das außerdem mit einer Anzahl von Computersystemen mit einer dynamisch gemanagten Leistungsaufnahme verbunden ist, die sich alle in einem Rechenzentrum befinden und die alle mit dem entfernten oder dem lokalen Verwaltungszentrum verbunden sind.