RU192299U1

RU192299U1 - Data storage device

Info

Publication number: RU192299U1
Application number: RU2019118248U
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Людвиг; Андрей Александрович Васькин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БУЛАТ"
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Полезная модель относится к области систем хранения данных и, в частности, к области многопротокольных устройств хранения данных, поддерживающих файловые и блочные протоколы доступа и может быть использована для увеличения объема записи и надежного хранения, а также для повышения эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA.1. Устройство хранения данных, содержащее контроллер, N HDD, соединенные входами/выходами с контроллером, кластер 1U серверов с FPGA в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии, центрального процессора (CPU), первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, третий вход/выход соединен с первым входом/выходом контроллера, программируемая логическая интегральная схема FPGA, первый вход/выход которой соединен со вторым входом/выходом центрального процессора; коммутатор, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом контроллера, третий вход/выход - с первым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, а первый вход/выход является входом/выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены тепловые трубки, первая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения CPU, вторая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения программируемой логической интегральной схемы FPGA, резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа, помещенная в резервуар с охлаждающей жидкостью; выход помпы соединен с входом тепловых трубок, а выход тепловых трубок - с входом резервуара с охлаждающей жидкостью.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка, используемая в качестве основания радиатора для охлаждения CPU и FPGA, представляет собой монокристалл AlO(сапфир) с микроканальными теплообменниками.The utility model relates to the field of data storage systems and, in particular, to the field of multi-protocol data storage devices supporting file and block access protocols and can be used to increase the recording volume and reliable storage, as well as to increase the heat exchange efficiency of a liquid radiator for cooling the central processor (CPU) and FPGA programmable logic integrated circuit. 1. A data storage device comprising a controller, N HDDs connected to the controller inputs / outputs, a 1U cluster of servers with FPGAs as part of a network adapter with compression support, a central processing unit (CPU), the first input / output of which is connected to the second input / output of the network adapter with supporting compression, the third input / output is connected to the first input / output of the controller, a programmable logic integrated circuit FPGA, the first input / output of which is connected to the second input / output of the central processor; a switch, the second input / output of which is connected to the second input / output of the controller, the third input / output - with the first input / output of a network adapter with compression support, and the first input / output is the input / output of the entire device, characterized in that it additionally heat pipes introduced, a first alumina substrate with a plurality of longitudinal holes connected to the heat pipes and used as a radiator base for cooling the CPU, a second alumina substrate with a plurality of longitudinal holes, soy fused with heat pipes and used as a radiator base for cooling the FPGA programmable logic integrated circuit, a reservoir with coolant, a pump placed in a reservoir with coolant; the pump outlet is connected to the inlet of the heat pipes, and the outlet of the heat pipes to the inlet of the coolant reservoir. 2. The device according to claim 1, characterized in that the substrate used as a radiator base for cooling the CPU and FPGA is an AlO single crystal (sapphire) with microchannel heat exchangers.

Description

Полезная модель относится к области систем хранения данных и, в частности, к области многопротокольных устройств хранения данных, поддерживающих файловые и блочные протоколы доступа и может быть использована для увеличения объема записи и надежного хранения, а также для повышения эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA.The utility model relates to the field of data storage systems and, in particular, to the field of multi-protocol data storage devices supporting file and block access protocols and can be used to increase the recording volume and reliable storage, as well as to increase the heat exchange efficiency of a liquid radiator for cooling the central processor (CPU) and FPGA programmable logic integrated circuit.

Известно многопротокольное устройство хранения данных, реализующее интегрированную поддержку файловых и блочных протоколов доступа (патент РФ №2302034). Система хранения данных представляет собой компьютер с функционирующей на нем службой хранения информации, в основе которой лежит организация информации на перезаписываемых постоянных запоминающих устройствах, например, блоках памяти, лентах или дисках. Система хранения данных, как правило, устанавливается в среде сети хранения данных (storage area network, SAN) или среде накопителя, подключенного к сети (network attached storage, NAS). Система хранения данных (СХД), используемая в среде NAS, может быть реализована в виде файлового сервера, имеющего операционную систему, которая, в свою очередь, поддерживает файловую систему, посредством которой осуществляется логическая организация информации в виде иерархической структуры каталогов и файлов (например, на дисках). Каждый "дисковый" файл может представлять собой набор структур данных, например, блоков на диске, сконфигурированных для целей хранения информации, например, собственно данных файла. В свою очередь, каталог может представлять собой файл специального формата, в котором хранится информация о других файлах и каталогах.A multi-protocol data storage device is known that implements integrated support for file and block access protocols (RF patent No. 2302034). A data storage system is a computer with an information storage service operating on it, based on the organization of information on rewritable read-only memory devices, for example, memory blocks, tapes or disks. A storage system is typically installed in a storage area network (SAN) environment or in a network attached storage (NAS) environment. The data storage system (SHD) used in the NAS environment can be implemented as a file server having an operating system, which, in turn, supports a file system through which the logical organization of information in the form of a hierarchical structure of directories and files (for example, on disks). Each “disk” file can be a set of data structures, for example, blocks on a disk, configured to store information, for example, the file data itself. In turn, the directory may be a special format file that stores information about other files and directories.

Известна также система внешнего хранения данных (патент №2383952).Also known is an external data storage system (patent No. 2383952).

В общем случае СХД состоит из жестких дисков (HDD), контроллера ввода/вывода и объединяющей системы. Диски, как правило, поддерживают "горячую замену", то есть их можно подключать и отключать "на лету", без выключения накопителя. Это дает возможность заменить вышедший из строя винчестер без каких-либо неприятностей для пользователя. Основной и резервный блоки питания накопителя имеют повышенную надежность и также допускают "горячую замену".In general, storage consists of hard disks (HDDs), an input / output controller, and a combining system. Drives, as a rule, support "hot swapping", that is, they can be connected and disconnected on the fly, without turning off the drive. This makes it possible to replace a failed hard drive without any troubles for the user. The primary and backup drive power supplies have enhanced reliability and are also hot-swappable.

Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в патенте на полезную модель №182176 - прототип.The closest technical solution is the device described in the patent for utility model No. 182176 - prototype.

Данная система хранения данных содержит контроллер, N HDD, соединенные входами/выходами с контроллером, кластер 1U серверов с FPGA в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии, центрального процессора (CPU), первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, третий вход/выход соединен с первым входом/выходом контроллера, программируемая логическая интегральная схема FPGA, первый вход/выход которой соединен со вторым входом/выходом центрального процессора; коммутатор, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом контроллера, третий вход/выход - с первым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, а первый вход/выход является входом/выходом всего устройстваThis data storage system contains a controller, N HDD connected to the controller I / O, a cluster of 1U servers with FPGA as part of a network adapter with compression support, a central processor (CPU), the first input / output of which is connected to the second input / output of the network adapter with supporting compression, the third input / output is connected to the first input / output of the controller, a programmable logic integrated circuit FPGA, the first input / output of which is connected to the second input / output of the central processor; a switch, the second input / output of which is connected to the second input / output of the controller, the third input / output - with the first input / output of a network adapter with compression support, and the first input / output is the input / output of the entire device

Цель полезной модели - повышение эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA.The purpose of the utility model is to increase the heat exchange efficiency of a liquid radiator for cooling the central processing unit (CPU) and the FPGA programmable logic integrated circuit.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство хранения данных, содержащее контроллер, N HDD, соединенные входами/выходами с контроллером, кластер 1U серверов с FPGA в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии, центрального процессора (CPU), первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, третий вход/выход соединен с первым входом/выходом контроллера, программируемая логическая интегральная схема FPGA, первый вход/выход которой соединен со вторым входом/выходом центрального процессора; коммутатор, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом контроллера, третий вход/выход - с первым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, а первый вход/выход является входом/выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены тепловые трубки, первая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения CPU, вторая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения программируемой логической интегральной схемы FPGA, резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа, помещенная в резервуар с охлаждающей жидкостью; выход помпы соединен с входом тепловых трубок, а выход тепловых трубок - с входом резервуара с охлаждающей жидкостью.This goal is achieved by the fact that in a data storage device containing a controller, N HDD connected to the I / O with the controller, a cluster of 1U servers with FPGA as part of a network adapter with compression support, a central processor (CPU), the first input / output of which is connected to the second input / output of a network adapter with compression support, the third input / output is connected to the first input / output of the controller, a programmable logic integrated circuit FPGA, the first input / output of which is connected to the second input / output of the central processor; a switch, the second input / output of which is connected to the second input / output of the controller, the third input / output - with the first input / output of a network adapter with compression support, and the first input / output is the input / output of the entire device, characterized in that it additionally heat pipes introduced, a first alumina substrate with a plurality of longitudinal holes connected to the heat pipes and used as a radiator base for cooling the CPU, a second alumina substrate with a plurality of longitudinal holes, soy fused with heat pipes and used as a radiator base for cooling the FPGA programmable logic integrated circuit, a reservoir with coolant, a pump placed in a reservoir with coolant; the pump outlet is connected to the inlet of the heat pipes, and the outlet of the heat pipes to the inlet of the coolant reservoir.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».Comparison with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of new units and their connections between them. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задаче экономии пространства в хранилище за счет компрессии входящих данных. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».Comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that the listed elements used in the blocks are known, however, their introduction in this connection with the other elements leads to the solution of the new problem of saving storage space due to compression of incoming data. This confirms the conformity of the technical solution to the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показана общая блок-схема предлагаемого устройства, содержащее N жестких дисков (HDD) 1, контроллер 2, кластер серверов с FPGA 3 в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии 3-3, центрального процессора (CPU) 3-1, программируемой логической интегральной схемы FPGA 3-2, первой и второй подложек из окиси алюминия с множеством продольных отверстий 3-4, тепловых трубок 3-5, резервуар с охлаждающей жидкостью 3-6, помпу 3-7; коммутатор 4.In FIG. 1 shows a general block diagram of the proposed device containing N hard drives (HDD) 1, controller 2, a cluster of servers with FPGA 3 as part of a network adapter supporting compression 3-3, central processing unit (CPU) 3-1, programmable logic integrated circuit FPGA 3-2, the first and second alumina substrates with many longitudinal holes 3-4, heat pipes 3-5, a reservoir with coolant 3-6, a pump 3-7; switch 4.

На фиг. 2 представлен общий вид радиатора для охлаждения CPU и FPGA, а на фиг. 3 - строение подложки радиатора.In FIG. 2 is a perspective view of a heat sink for cooling a CPU and FPGA, and FIG. 3 - the structure of the radiator substrate.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

С ростом вычислительной мощности современные процессоры потребляют все больше и больше энергии. Основная ее часть выделяется в виде тепла. Этот непрерывный тепловой поток можно отбирать только через ограниченную площадь процессорного ядра. Производители стараются бороться с потреблением энергии и тепловыделением переходом на более низкие напряжения питания и технологические нормы. С уменьшением микронных норм производства потребление мощности действительно уменьшается, однако уменьшается и площадь кристалла самого ядра, что в свою очередь, ведет к увеличению плотности теплового потока. И хоть тепла становиться меньше, но снизится ли температура внутри ядра меньшей площади - это уже под вопросом. С увеличением интеграции и уменьшением площади чипа отвод тепла с его поверхности становится все более трудной задачей. Здесь требуются специальные материалы и теплоносители. Неизменный рост тактовых частот предполагает неизбежное увеличение тепловыделения CPU и FPGA в дальнейшем. Для процессоров с тактовыми частотами, превышающими 2 ГГц, рекомендуются coolers (вентиляторы) с радиаторами из меди, либо хотя бы с медной подошвой на алюминиевом радиаторе.With the growth of computing power, modern processors consume more and more energy. Its main part is released in the form of heat. This continuous heat flux can only be taken through a limited area of the processor core. Manufacturers are trying to deal with energy consumption and heat by switching to lower supply voltages and technological standards. With a decrease in micron production rates, power consumption actually decreases, but the crystal area of the core itself decreases, which in turn leads to an increase in heat flux density. And although the heat becomes less, but whether the temperature inside the core of a smaller area will decrease is already in question. With increasing integration and decreasing chip area, heat removal from its surface becomes an increasingly difficult task. Special materials and coolants are required here. A constant increase in clock frequencies implies an inevitable increase in CPU and FPGA heat dissipation in the future. For processors with clock speeds exceeding 2 GHz, coolers (fans) with copper radiators, or at least with a copper sole on an aluminum radiator, are recommended.

В характеристиках CPU, FPGA и систем охлаждения указывается значение TDP (Thermal Design Power). Это показатель максимального количества тепла, с отводом которого должна справляться система охлаждения для эффективного охлаждения крышки процессора.The specifications of the CPU, FPGA and cooling systems indicate the value of TDP (Thermal Design Power). This is an indicator of the maximum amount of heat that the cooling system must handle to remove it to effectively cool the processor cover.

Данное значение у систем охлаждения должно, как минимум, совпадать со значением процессора, а желательно превосходить его.This value for cooling systems should at least coincide with the value of the processor, but it is desirable to exceed it.

Здесь важно учесть, что процессоры с возможностью разгона будут при этом самом разгоне выделять значительно больше тепла. Для таких процессоров потребуется и система охлаждения с большим значением TDP.It is important to take into account that processors with the possibility of overclocking will produce significantly more heat during this overclocking. For such processors, a cooling system with a large TDP value will also be required.

Любой процессор для нормального функционирования нуждается в хорошей системе охлаждения. Во время его работы выделяется большое количество тепла, и он сильно нагревается. Чем выше показатель производительности CPU и FPGA, тем больше они отдают тепла. Если устройство хранения данных не будет быстро удалять воздух, это может привести к различным системным сбоям, некорректному функционированию техники, снижению производительности, стать причиной выхода из строя важных элементов.Any processor needs a good cooling system to function properly. During its operation, a large amount of heat is released, and it is very hot. The higher the CPU and FPGA performance, the more they give off heat. If the data storage device does not quickly remove air, this can lead to various system malfunctions, incorrect functioning of the equipment, reduced performance, and cause the failure of important elements.

Снизить тепловыделение CPU, FPGA поможет обновление, замена термопасты. Термопаста - не что иное, как смазка для охлаждения CPU, FPGA. Она является теплопроводником между CPU, FPGA и радиаторами, закрепленными на них, устраняет микроскопические неровности соприкасающихся поверхностей, удаляет между ними воздух, который препятствует теплоотводу. Хорошая, качественная термопаста снизит температуру на 5-10 градусов.To reduce the heat dissipation of the CPU, FPGA will help updating, replacing thermal paste. Thermal grease is nothing but a lubricant for cooling a CPU, FPGA. It is a heat conductor between the CPU, FPGA and heatsinks mounted on them, eliminates microscopic irregularities of the contacting surfaces, removes air between them, which prevents heat dissipation. Good, high-quality thermal grease will reduce the temperature by 5-10 degrees.

В случае охлаждения системы жидкостью с использованием радиаторов ситуация коренным образом меняется. Охлаждающая жидкость циркулирует в изолированном пространстве - по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любую конфигурацию и направление. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы при такой же или гораздо большей эффективности.In the case of cooling the system with liquid using radiators, the situation changes radically. Coolant circulates in an isolated space - through flexible tubes of small diameter. Unlike airways, fluid tubes can be configured with virtually any configuration and direction. The volume they occupy is much less than the air ducts at the same or much greater efficiency.

Жидкость (в большинстве случае это дистиллированная вода) прокачивается через подложку радиатора 3-4 с помощью специального насоса (помпы) 3-7. Все компоненты конструкции соединены между собой тепловыми трубками 3-5. Проходя через радиаторы CPU и FPGA жидкость забирает их тепло, после чего попадает по трубкам в резервуар с охлаждающей жидкостью 3-6, где охлаждается сама. Система замкнута, и жидкость в ней циркулирует постоянно. В качестве нового конструктивного элемента (подложка радиатора 3-4) (фиг. 3) взят по специально выращенной технологии [1] монокристалл Al₂O₃ (сапфир) с микроканальными теплообменниками, обладающий высочайшей теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью алмаза. Микроканалы имеют диаметр порядка 50 микрон и образуются армированием выращиваемого кристалла кремнием с последующим его удалением (вытравливанием). Такая подложка позволяет снять до 25 Вт/см2 тепловой мощности и обладает уникальным сочетанием физико-химических свойств: высокой твердостью, химической инертностью, высокой температурой плавления (2050°С), низким термическим расширением при высоких температурах и высокой стойкостью к термоударам.The liquid (in most cases, this is distilled water) is pumped through the substrate of the radiator 3-4 using a special pump (pump) 3-7. All components of the structure are interconnected by heat pipes 3-5. Passing through the CPU and FPGA heatsinks, the liquid takes their heat, after which it passes through the tubes into the reservoir with coolant 3-6, where it is cooled by itself. The system is closed and fluid in it circulates constantly. An Al ₂ O ₃ single crystal (sapphire) with microchannel heat exchangers having the highest thermal conductivity comparable to the thermal conductivity of diamond was taken as a new structural element (radiator substrate 3-4) (Fig. 3) using specially grown technology [1]. Microchannels have a diameter of about 50 microns and are formed by reinforcing the grown crystal with silicon, followed by its removal (etching). Such a substrate allows one to remove up to 25 W / cm2 of thermal power and has a unique combination of physicochemical properties: high hardness, chemical inertness, high melting point (2050 ° C), low thermal expansion at high temperatures, and high resistance to thermal shock.

Таким образом, циркуляционная система с использованием специально выращенной подложки с микроканальными теплообменниками значительно повышает эффективность теплообмена для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA в устройстве хранения данных.Thus, a circulation system using a specially grown substrate with microchannel heat exchangers significantly increases the heat transfer efficiency for cooling the central processing unit (CPU) and the FPGA programmable logic integrated circuit in the data storage device.

Claims

1. A data storage device comprising a controller, N HDDs connected to the controller I / O, a cluster of 1U FPGA servers as part of a network adapter with compression support, a central processing unit (CPU), the first input / output of which is connected to the second input / output of the network adapter with compression support, the third input / output is connected to the first input / output of the controller, a programmable logic integrated circuit FPGA, the first input / output of which is connected to the second input / output of the central processor; a switch, the second input / output of which is connected to the second input / output of the controller, the third input / output - with the first input / output of a network adapter with compression support, and the first input / output is the input / output of the entire device, characterized in that it additionally heat pipes introduced, a first alumina substrate with a plurality of longitudinal holes connected to the heat pipes and used as a radiator base for cooling the CPU, a second alumina substrate with a plurality of longitudinal holes, soy fused with heat pipes and used as a radiator base for cooling the FPGA programmable logic integrated circuit, a reservoir with coolant, a pump placed in a reservoir with coolant; the pump outlet is connected to the inlet of the heat pipes, and the outlet of the heat pipes to the inlet of the coolant reservoir.

2. The device according to claim 1, characterized in that the substrate used as the base of the radiator for cooling the CPU and FPGA is an Al ₂ O ₃ single crystal - sapphire with microchannel heat exchangers.