KR102110656B1 - 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터용 전원 공급 장치 및 그의 전원 공급 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가상화폐용 마이닝 시스템에 적용되는 컴퓨터의 전원 공급 장치 및 전원 공급 방법에 관한 것으로, 더욱더 상세하게는 상기 컴퓨터의 전원공급 장치의 입력 측의 역률을 마이닝 시스템의 출력 부하에 따라 제어하며 시스템의 효율을 향상시키며 소형,경량화 시킬 수 있는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터용 전원공급 장치 및 그의 전원 공급방법에 관한 것이다.

Description

마이닝 시스템을 위한 컴퓨터용 전원 공급 장치 및 그의 전원 공급 방법 {A Power Supply of a computer for a Mining System and it's Power Supply Method}

본 발명은 가상화폐용 마이닝 시스템에 적용되는 컴퓨터용 전원 공급 장치 및 전원 공급 방법에 관한 것으로, 더욱더 상세하게는 마이닝 시스템에 적용되는 컴퓨터용 전원공급 장치의 입력 측의 역률을 마이닝 시스템의 GPU의 수량에 따른 부하의 변화에 따라 제어하며 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 마이닝 시스템에 적용되는 컴퓨터용 전원공급 장치 및 그의 전원 공급방법에 관한 것이다.

최근 지폐·동전 등의 실물이 없고 온라인에서 거래되는 가상화폐에 대한 관심이 뜨겁다. 해외에서는 초반 눈에 보이지 않고 컴퓨터상에 표현되는 화폐라고 해서 디지털 화폐(Digital Currency) 또는 가상화폐 등으로 불렀지만, 최근에는 암호화 기술을 사용하는 화폐라는 의미로 암호화폐라고 부르며 정부는 가상통화라는 용어를 사용하여 정의하고 있다. 이러한 가상화폐는 컴퓨터를 이용하여 연산을 수행하게 되며 이러한 컴퓨터를 암호화 화폐를 채굴한다하여 마이닝 시스템 (Mining System)이라고 호칭한다.

도 1은, 예를들어, 통상적인 전자 화폐의 채굴을 위한 마이닝 시스템(10)을 예시하는 시스템 구성도 이다. 도시된 마이닝 시스템(10)은, 개인용 컴퓨터(11)가 전자 화폐 시스템(12)으로부터 직접 채굴 작업을 수신하여 채굴을 수행하며 채굴모듈(13)과 전자화폐 지갑(14)를 포함하여 구성된다.

도 2는 메인보드 (Main Board) (20)와 그래픽 처리 장치(GPU) (21) 및 팬 (22)으로 구성되는 컴퓨터와 2개로 분리되어 구성되는 전원공급 장치(23)로 구성되는 일반적인 마이닝 시스템의 개인용 컴퓨터(11)의 내부 구성도 이다.

이러한 마이닝 시스템(10)의 개인용 컴퓨터(11)는 도 2에서 알수 있듯이 마이닝 시스템(10)의 부하용량에 따라 대부분 2대의 전원공급장치를 병렬로 연결하여 상기 메인보드 (20), GPU (21) 및 팬 (22)등에 전원을 공급하게 된다. 상기 전원공급장치 (23)는 전원공급장치의 부하에 적합하도록 출력전원을 공급하며 각각 3.3V, 5V 및 12V의 전원을 공급하게 된다.

한편, 상기 전원공급장치 (23)은 일반적으로 정류부와 절연형 DC/DC 컨버터로 구성되며 상기 정류부는 교류전압을 직류전압으로 변환하는 장치로써 입력역률 제어기능을 포함하는 경우 역률제어부를 부가적으로 더 포함하여 구성된다. 또한 상기 절연형 DC/DC 컨버터는 출력 전압을 입력 전압 보다 높이거나 낮추기 위한 전압 변환 장치로서, 낮은 입력전압을 높은 출력 전압으로 변환하는 컨버터를 스텝업(Step-Up) 컨버터라고 하고, 높은 입력 전압을 낮은 출력전압으로 변환하는 컨버터를 스텝다운(Step-Down) 컨버터라고 한다.

이중에서, 상기 입력 역률 제어 기능을 포함한 정류부는 부하에 관계없이 항상 입력측의 역률을 제어하게되며 이로인해 부가적인 제어의 복잡성 및 스위치의 손실이 발생하게 되는 문제점을 포함하게 되는 심각한 문제점이 있다. 또한 상기 전원공급장치 (23)는 2개의 장치로 분리되어 구성되는바 시스템의 크기와 효율을 저감시키게 되는 문제점 또한 포함하고 있다.

대한민국 공개특허 10-2010-0098826호 (2010.09.10.) 대한민국 공개특허 10-2012-0003661호 (2012.01.11.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 정류부의 입력측의 역률을 GPU의 수에 따라 입력측의 역률을 제어하는 수단을 포함하는 마이닝 시스템용 컴퓨터의 전원공급 장치 및 그의 전원 공급방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 마이닝 시스템용 컴퓨터의 입력측의 전류 도통각을 제어하여 전원공급 장치의 시스템 효율을 향상시키기 위한 수단을 포함함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이닝 시스템용 컴퓨터의 전원장치의 구조를 하나의 장치로 구성함으로써 마이닝 시스템용 컴퓨터의 전원 공급 장치의 소형.경량화 및 전원장치의 효율을 향상시키기 위함에 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이닝(Mining)을 위한 메인보드(Main Borad)와 마이닝 연산을 수행하기 위한 그래픽 처리 장치 (GPU) 및 상기 GPU의 냉각을 위한 팬(Fan)을 포함하여 구성되는 마이닝(Mining) 시스템의 컴퓨터에 하나의 전원 공급 장치로 구성되는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치에 관한 것으로,

상기 전원공급 장치의 입력 역률을 제어하며 교류를 직류로 변환하기 위한 스위치를 포함한 정류부;

상기 정류부를 통하여 교류전압을 직류전압으로 변형하여 저장하는 직류전압부;

상기 직류전압부의 직류출력으로부터 상기 메인보드, 상기 GPU 및 상기 팬의 구동을 위한 직류전압으로 전력을 변환하기 위한 절연형 컨버터부;를 포함하고,

상기 정류부는 상기 GPU의 수의 변화에 따라 상기 역률제어 정류부의 입력 전류의 도통구간을 소정의 기간 동안 (θ)은 제어하지 않고 입력전원을 상기 직류전압부로 전달하기 위한 제어부; 및

상기 GPU가 n개로 변화되는 경우 이에 상응하여 상기 GPU에 전원을 공급하는 절연형 컨버터를 m개로 변경하여 상기 절연형 컨버터를 m개로 변경하는 수단은 상기 절연형 컨버터를 랙(Rack)형태로 구성하여 변경되는 것;을 특징으로 하고 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이닝(Mining)을 위한 메인보드(Main Borad)와 마이닝 연산을 수행하기 위한 그래픽 처리 장치 (GPU) 및 상기 GPU의 냉각을 위한 팬(Fan)을 포함하여 구성되는 마이닝(Mining) 시스템의 컴퓨터에 하나의 전원 공급 장치로 구성되는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치에 관한 것으로,

상기 전원공급 장치의 입력 역률을 제어하며 교류를 직류로 변환하기 위한 스위치를 포함한 정류부;

상기 정류부를 통하여 교류전압을 직류전압으로 변형하여 저장하는 직류전압부;

상기 직류전압부의 직류출력으로부터 상기 메인보드, 상기 GPU 및 상기 팬의 구동을 위한 직류전압으로 전력을 변환하기 위한 절연형 컨버터부;를 포함하고,

상기 정류부는 상기 GPU의 수의 변화에 따라 상기 역률제어 정류부의 입력 전류의 도통구간을 소정의 기간 동안 (θ)은 제어하지 않고 입력전원을 상기 직류전압부로 전달하기 위한 제어부; 및

상기 GPU가 n개로 변화되는 경우 이에 상응하여 상기 GPU에 전원을 공급하는 절연형 컨버터를 m개로 변경하여 상기 절연형 컨버터를 m개로 변경하는 변경수단은 상기 절연형 컨버터를 랙(Rack)형태로 구성하여 변경되는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 GPU의 수(n)량의 변화를 감지하는 감지 수단을 포함하고 상기 감지수단으로부터 상기 GPU의 수량이 결정되면 이에 상응하는 상기 역률제어부의 제어를 수행하지 않는 소정기간을 결정하게 되고 상기 결정된 소정의 시간동안은 정류부의 스위치 소자를 제어하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n은 3 또는 4의 배수중 어느 하나이며 상기 m은 n/3 또는 n/4중 어느 하나로 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부의 역률을 제어하지 않는 구간은 θ≤45도 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 랙(Rack)은 상기 직류전압부의 출력단에서 탈부착이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 n이 증가하면 상기 제어부의 역률을 제어하지 않는 구간을 감소하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이닝 시스템의 전원공급 장치는 하나의 PCB (Printed Circuit Board) 보드로 구성되며 상기 PCB보드는 역률제어 정류부, 직류전압부 및 절연형 컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 마이닝(Mining)을 위한 메인 보드(Main Board)와 그래픽 처리 장치 (GPU)를 포함하는 하나의 전원공급장치에 의해 구동되는 상기 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원 공급 방법에 관한 것으로,

상기 전원공급 장치의 입력측의 역률을 제어하기 위한 역률제어 단계;

상기 역률제어 단계를 통하여 교류전압을 직류전압으로 변형하여 저장하는 직류전압 저장단계;

상기 직류전압부의 직류출력으로부터 상기 메인 보드 및 상기 그래픽 처리 장치가 요구하는 직류전압으로 전력을 변환하기 위한 절연형 컨버터를 이용한 전력 변환 단계;를 포함하고,

상기 역률제어 단계는 상기 그래픽 처리 장치의 수 (n)의 변화에 따라 그래픽 처리장치의 수 (n)를 결정하는 단계;와

상기 그래픽 처리장치의 수에 의해 절연형 컨버터의 수(m)을 결정하는 단계;와

상기 그래칙 처리 장치의 수(n)에 의해 상기 역률제어 단계의 입력측의 역률을 제어하지 않는 기준전압을 결정하는 단계; 및

상기 역률을 제어하지 않는 기준전압에 의해 상기 입력측의 역률을 제어하지 않는 시간이 결정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터용 전원공급 장치 및 그의 전원공급방법은 전원공급장치를 소형.경량화로 시스템 구성이 가능한 장점이 있다.

또한, 본발명에 따르면, 상기 전원공급장치는 출력측의 그래픽 처리장치의 수량에 따라 입력측의 역률을 제어하며 일정구간에서는 역률을 제어하지 않는 구간이 존재하는바 상기 전원 공급 장치의 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 하나의 전원 공급장치는 하나의 PCB (Printed Circuit Board) 보드에 입력측의 역률을 제어하기 위한 역률제어부, 직류전압부 및 절연형 컨버터를 모두를 포함함으로써 저가에 전원공급장치를 구성하는 장점이 있다.

도 1은 전자 화폐의 채굴을 위한 마이닝 시스템의 구성도.
도 2은 일반적인 마이닝 시스템의 컴퓨터 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 마이닝 시스템 컴퓨터에 전원을 공급하는 전원공급장치의 구성도.
도 4은 본 발명에 따른 전원공급장치의 상세 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 전원공급장치의 상세 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 전원공급장치의 정류부의 상세한 구성도.
도 7는 본 발명에 다른 전원공급장치의 입력측의 역률제어를 위한 전압 및 전류파형.
도 8는 본 발명에 따른 스위치를 포함한 정류부의 제어를록도.
도 9은 본 발명에 다른 입력측 전류의 도통각을 제어하기 위한 제어 순서도.
도 10은 θ=0, θ=10 그리고 θ=30에 따라 입력측 전류의 도통구간이 결정되는 것에 따른 시뮬레이션 결과.

도 3은 본 발명에 따른 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터에 전원을 공급하는 전원공급장치의 내부 구성도를 나타내고 있다. 상기 도 3에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터용 전원공급장치는 하나의 전원 공급 장치로 구성되어 있으며 메인보드(20), GPU (21) 및 팬 (22) 등의 모든 장치에 전원을 공급하는 구성도를 나타내고 있다.

도 4는 상기 도 3의 전원공급장치만을 더욱더 상세하게 나타낸 구성도이다. 상기 도 4는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류부와 이를 제어하기 위한 제어부(35)와 변환된 직류를 저장하기 위한 직류전압부 (36)와 메인보드에 전원을 공급하기 위한 메인보드 전원부 (37)와 GPU에 요구된 전압을 공급하기 위한 GPU 전원부(38)로 구성되어 있다. 상기 도 4의 GPU 전원부(38)는 GPU의 수량에 따라 그 전원단(381, 382)을 선택가능하며 GPU 전원부는 랙(Lack) 형태로 구성되어 상기 GPU의 수량에 따라 전원부를 탈부착이 용이하도록 구성하여 전원부의 가변이 용이하게 형성된다. 예를들면 GUP의 갯수가 6개인경우 GPU 전원부(381)로 구동되며 그외의 전원부 (381)은 구동되지 않는 형식의 구성이다.

도 5는 상기 도 4의 전원공급장치(33)의 상세 회로도를 나타내고 있다. 상기 도 5의 스위치를 포함한 정류부와 이의 제어부(351)는 입력전압과 정류기의 출력전압 그리고 가상화폐 연산을 위한 GPU의 수량을 측정하여 정류기의 입력측의 전류를 제어하게 되고 이를 통해 정류기 입력측의 역률을 보정하게 되는 기능을 수행을 한다.

상기 제어부 (351)의 제어에 의해 GPU의 변화에 따라 입력측 전류의 도통각을 제어하게 된다. 이를 통하여 역률 개선을 이루게 되는 특징을 포함하게 된다. 상기 절연형 컨버터부 (38)는 GPU (21) 및 메인보드 (20)에서 요구되는 전압으로 변형하여 GPU 및 메인보드 각각에 전원을 공급하게 된다.

도 6는 본 발명의 GPU (21)의 변화에 대응하여 정류부의 입력전류의 도통각을 제어하는 정류부(35)의 구성도를 나타내고 있다. 상기 제어부 (351)는 GPU의 수량을 김지하고 입력전압을 피드백하여 GPU (22)의 수량에 따른 n,ref값을 결정하게 되고 이를 통해 입력측의 전류의 도통각(

)을 결정하고 제어하게 된다. n,ref값은 하기 식 (1)과 같이 계산된다.

n,ref=ref-ref(1-cosθ) (1)

여기서, θ≤45°.

도 7은 상기 식 (1)에 의해 n,ref값을 결정하게 되고 본 발명에 따른 전원공급장치의 입력측 전류의 도통각을 제어하기 위한 n,ref값의 변화에 따라 입력측 전류의 도통각이 제어되는 것을 나타내고 있다. 여기서,

는 입력측의 전류의 도통각의 제어 시작값을 의미한다.

도 8은 본 발명에 따른 스위치를 포함한 정류부 (35)의 제어를록도 (400)를 나타내고 있다. 상기 도 8의 제어블록은 2개의 제어루프로 구성되어 있다. 하나는 정류부 (35)의 출력전류를 제어하기 위한 제어루프이며 나머지 하나는 입력측 전류의 도통각을 제어하기 위한 제어루프로 구성되어 있다. 상기 출력전류의 제어는 PI 제어기 (410)를 포함하여 적분제어기의 포화를 방지하기 위한 포화방지기 (420)를 포함하여 정류기의 전류를 제어하며 상기 입력측 전류의 도통각을 n,ref값과 정류기의 입력전압으로 결정된다. 그리고 각각의 제어루프의 출력이 최종 디지털로직 (440) 통하여 스위치에 인가되는 PWM (Pulse-Width-Modulation)제어신호를 생성하게 된다.

도 9는 본 발명에 다른 입력측 전류의 도통각을 제어하기 위한 제어 순서도 (500)를 나타내고 있다. 제어 순서는 입력측 전류의 역률을 제어하기 위한 역률제어단계 (510)와 그래픽 처리장치(GPU)의 수를 결정하여 n,ref 값을 결정하기 위한 단 (520)계와 GPU의 수량에 따른 절연형 컨버터의 수 (m)를 결정 (530)하는 단계와 입력측의 역률을 제어하기 위한 기준전압 결정하는 단계 (540)를 포함하며 결정된 전압에 의해 입력측의 전류가 도통되지않은 구간을 결정하는 스위치에 인가되는 PWM 제어신호를 결정하는 단계 (550)를 포함한다.

도 10은 본 발명에 따른 GPU의 수량에 따른 입력측 전류의 도통각이 제어되는 확인하기위한 시뮬레이션을 수행한 결과 파형이다.

도 10(a)는 θ=0 일때의 시뮬레이션 결과파형이다. 파형으로부터 알수 있듯이 입력측 전류의 도통 각이 지연되지 않고 제어되어 입력측의 역률이 거의 1로 제어됨을 확인할 수 있다.

도 10(b)는 θ=10 일 때 그리고 도 10(c)는 θ=30일 때의 시뮬레이션 결과파형을 각각 나타내고 있다. 상기에서 서술한 바와 같이 입력측의 전류가 도통각이 지연되어 제어됨을 확인할 수 있다. 이상으로부터 알수 있듯이 본원발명의 GPU의 수에 따라 n,ref의 값이 변화하게 디고 이로부터 입력측 전류의 도통각이 제어됨을 확인 할 수 있다.

이상으로 도면과 명세서에서 최적의 실시예들이 개시되었다 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된것은 아니다.

그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다

10: 마이닝 시스템 11: 개인용 컴퓨터
12: 전자화폐시스템 13: 채굴모듈
14: 전자화폐지갑 20: 메인보드
21: 그래픽 처리 장치 (GPU) 22: 팬 (Fan)
33: 전원공급장치 35: 스위치를 포함한 정류부
36: 직류전압부 351: 제어부
400: 제어블록도 410: PI 제어기
420: 포화방지기 500: 제어 순서도

Claims (9)

1. 마이닝(Mining)을 위한 메인보드(Main Borad)와 마이닝 연산을 수행하기 위한 그래픽 처리 장치 (GPU) 및 상기 GPU의 냉각을 위한 팬(Fan)을 포함하여 구성되는 마이닝(Mining) 시스템의 컴퓨터에 하나의 전원 공급 장치로 구성되는 마이닝시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치에 관한 것으로,
   상기 전원공급 장치의 입력 역률을 제어하며 교류를 직류로 변환하기 위한 스위치를 포함한 정류부;
   상기 정류부를 통하여 교류전압을 직류전압으로 변형하여 저장하는 직류전압부;
   상기 직류전압부의 직류출력으로부터 상기 메인보드, 상기 GPU 및 상기 팬의 구동을 위한 직류전압으로 전력을 변환하기 위한 절연형 컨버터부;를 포함하고,
   상기 정류부는 상기 GPU의 수의 변화에 따라 역률제어 정류부의 입력전류의 도통구간을 소정의 기간 동안 (θ)은 제어하지 않고 입력전원을 상기 직류 전압부로 전달하기 위한 제어부;
   상기 GPU가 n개로 변화되는 경우 이에 상응하여 상기 GPU에 전원을 공급하는 절연형 컨버터를 m개로 변경하여 상기 절연형 컨버터를 m개로 변경하는 변경수단은 상기 절연형 컨버터를 랙(Rack)형태로 구성하여 변경되며; 및
   상기 제어부의 역률을 제어하지 않는 구간은 θ≤45도 인 것;을 특징으로 하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 GPU의 수(n)량의 변화를 감지하는 감지 수단을 포함하고 상기 감지수단으로부터 상기 GPU의 수량이 결정되면 이에 상응하는 역률제어부의 제어를 수행하지 않는 소정기간을 결정하고 상기 결정된 소정의 시간동안은 정류부의 스위치 소자를 제어하지 않는 것을 특징으로하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 n은 3 또는 4의 배수중 어느 하나이며 상기 m은 n/3 또는 n/4중 어느 하나로 결정되는 것을 특징으로 하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 랙(Rack)은 상기 직류전압부의 출력단에서 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 n이 증가하면 상기 제어부의 역률을 제어하지 않는 구간을 감소하는 것을 특징으로 하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급 장치는 하나의 PCB (Printed Circuit Board) 보드로 구성되며 상기 PCB보드는 역률제어 정류부, 직류전압부 및 절연형 컨버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원공급장치.
8. 마이닝(Mining)을 위한 메인 보드(Main Board)와 그래픽 처리 장치 (GPU)를 포함하는 하나의 전원공급장치에 의해 구동되는 마이닝 시스템을 위한 컴퓨터의 전원 공급 방법에 관한 것으로,
   상기 전원공급 장치의 입력측의 역률을 제어하기 위한 역률제어 단계;
   상기 역률제어 단계를 통하여 교류전압을 직류전압으로 변형하여 저장하는 직류전압 저장단계;
   상기 직류전압의 직류출력으로부터 상기 메인 보드 및 상기 그래픽 처리장치가 요구하는 직류전압으로 전력을 변환하기 위한 절연형 컨버터를 이용한 전력변환 단계;를 포함하고,
   상기 역률제어 단계는 상기 그래픽 처리 장치의 수 (n)의 변화에 따라 그래픽 처리장치의 수 (n)를 결정하는 단계;와
   상기 그래픽 처리장치의 수에 의해 절연형 컨버터의 수(m)을 결정하는 단계; 와
   상기 그래픽 처리 장치의 수(n)에 의해 상기 역률제어 단계의 입력측의 역률을 제어하지 않는 기준전압을 결정하는 단계; 및
   상기 역률을 제어하지 않는 기준전압에 의해 상기 입력측의 역률을 제어하지 않는 시간이 결정되는 단계;를 포함하며
   상기 입력측의 역률을 제어하지 않는 시간은 θ≤45도 인 것;을 특징으로 하는 마이닝 시스템용 컴퓨터의 전원 공급 방법.
9. 삭제

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