TWI607686B - 背板系統 - Google Patents

Description

背板系統

本發明係關於一種伺服器機櫃設計。更具體地來說，本發明關於伺服器機櫃的一種分離背板設計。

伺服器技術中，伺服器機櫃的設計對於伺服器內的電力和電子元件是相當重要的。在現有的機櫃設計中，單一背板電路板被安裝於機櫃。背板是一具有若干個微小元件的單一主機板，這些微小元件可共同連結和管理且平行排列。其通常作為一伺服器單元內所有主要元件的接口。背板是設計以允許主要元件被加入或移除僅需少量的精力。背板包含被動元件(例如電源供應器)和主動元件(包括機體電路元件)兩者。這單一的背板控制處理安裝於機櫃內之每一個機箱的管理。一般背板可包含各種元件的連接器，包括輸入/輸出板、風扇、處理器板、記憶模組等。

大體而言，一旦背板失效且需由另一背板替換時，通常必須關閉與其連接的電源供應器。然而，伺服器機櫃的其他重要元件之電力通常也是從此背板同時供應，例如冷卻風扇。因此，在替換背板的期間，這些元件即無法產生功能。這可能導致多項問題，因為伺服器及其元件的持續運作可能為企業或技術製程所必要的。這亦可能導致所費不貲的延誤和時 間及資源的損失。高可用性(high-availability)和關鍵任務系統(mission-critical systems)需被設計為在其整個使用壽命中，停機時間趨近於零。幾個產業依靠持續的系統運作，包括醫療貲訊學(medical informatics)、核能(nuclear power)、金融機構(financial institutions)、以及持續在線的線上遊戲(persistent online games)。由於系統中斷造成資料的潛在損失應被注意，特別是關於大量、及時資訊收集的應用程式。此外，資料損換可能發生，從而導致不可預期的問題，甚至在中斷發生數個月之後。在一些例子中，背板故障會造成沒有電力供應至風扇模組，即便其他元件持續在運行。由於關閉的風扇而缺乏冷卻，會使得運作的伺服器機箱被置於損壞的風險中。

本發明提供一種伺服器機櫃的分離背板設計。並非包含強和弱元件兩者以及主動和被動元件兩者的單一背板電路板，而是一基底平面板和一控制模組板構成的分離背板設計。基底平面板連接伺服器機箱，且包含若干個不易損換或故障的強電子元件。強電子元件可包括電容、電阻、導體、電感和其他電子元件。此外，基底平面板包含提供對於正常伺服器運轉相當重要功能的元件。控制模組板可包括若干個易於損壞或故障的弱電子元件，例如積體電路。控制模組板連接基底平面板，且當控制模組板的一或多個元件故障時，控制模組板可被移除。當控制模組板從基底平面板移除時，基底平面板和其功能持續運作，且為了替換控制模組板並不需關閉電源。這是因為弱元件在控制模組板上，且強元件在基底平面板上而分離 的原因。

在一些實施例中，基底平面板包含連接器以連接一或多個風扇模組。風扇模組可持續運作及從基底平面板汲取電力而不需控制模組板連接。

102‧‧‧背板電路板

104‧‧‧輸入/輸出槽

106‧‧‧風扇模組

108‧‧‧處理器板連接器

110‧‧‧積體電路板

112‧‧‧機箱連接器

202‧‧‧基底平面板

204‧‧‧機箱連接器

206‧‧‧控制模組連接器

208‧‧‧控制模組板

210‧‧‧積體電路

302‧‧‧基底平面板

304‧‧‧機箱連接器

306‧‧‧控制模組連接器

310‧‧‧控制模組板

312‧‧‧積體電路

400‧‧‧機箱

402‧‧‧基底平面板

404‧‧‧控制模組連接器

406‧‧‧強電性連接器

408‧‧‧控制模組板

410‧‧‧纜線

412‧‧‧風扇模組

第1圖係表示一傳統背板之俯視圖。

第2圖係表示一些實施例中之分離伺服器背板示意圖。

第3圖係表示一些實施例中，分離背板的控制模組板插入基底平面板之示意圖。

第4圖係表示一些實施例中之分離伺服器背版與風扇模組之連接示意圖。

本發明之各種實施例詳細討論如下，雖然討論了特定的實施方式，應了解到僅是為了說明之目的而作。所述技術領域中具有通常知識者可理解到，在不偏離本發明之精神及範疇下，可以使用其他元件和配置。

在伺服器計算系統中，背板為電路和連接器的集合，配置以連接和控制多個互相平行的元件。背板通常採取電路板的形式，具有多個連接器以連接多個元件。在伺服器的環境中，可在服務器機櫃提供背板。背板可包含連接器以連接多個在服務器機櫃裡的機箱，以達到交流的目的。背板亦可包含用以連接電源供應器與各個機箱的連接器。來自機箱的電力可以從背板供應至一些對應於機箱的裝置，例如附在服務器機櫃 上的風扇模組。因此背板亦可以負責提供電力至風扇模組和對伺服器機櫃運作重要的其他裝置。換言之，機櫃背板可用來控制在伺服器機櫃中不同機箱和其他元件的操作。因此，一伺服器機櫃背板就其本身的能力來說，實質上為一計算裝置。

如上所述，在發生故障或失效的情況下，多數習知的伺服器機櫃背板必須由其他背板所替換。然而，前述替換作業通常需要關閉與背板或任何其他元件連接的電源供應器。在一些情況下，這可能代表當預計將背板從機櫃移除時，整個伺服器機櫃的電力必須關閉，即便機櫃中其他的背板可能完全正常運作。此外，如上所述，風扇模組可能亦為機櫃背板所控制。因此，即使電力可維持供應至機箱，但由於風扇關閉而缺少冷卻，充電的機櫃將缺乏適當的冷卻而暴露於損壞的風險中。

如上所述，伺服器機櫃背板為一計算裝置。因此，一伺服器機櫃背板將包括「強」元件和「弱」元件以施行其功能，如同其他種類的計算裝置一般。強元件為通常不容易損壞或故障的電子元件，而弱元件則較易損壞或故障。對於所謂的弱元件來說，這些損壞或故障可能是由電壓尖峰(voltage spikes)、欠壓(under-voltage)、電力突波(power surges)、過載電路(overloaded circuits)等等所導致。通常「強」元件可為被動元件，包括電容、電阻、電感、變壓器、二極體等。亦即，強元件可包含不能藉由另一電訊號控制能量之流動的被動元件。弱元件通常包括主動元件，因為它們通常是更容易故障的。主動元件可包含可藉由電訊號控制能量之流動的元件，例 如晶體管和包含晶體管的元件，舉例而言，控制模組和積體電路。

通常當一計算裝置失效時，故障是由於弱元件的故障所導致。亦即，由於弱元件通常對於電壓和電流的變化更為敏感、以及通常在不同的電壓和電流之間切換，它通常會更容易損壞。在服務器機櫃背板，同樣類型的故障通常會被發現。舉例來說，損壞的積體電路為背板故障的主要原因。然而，應注意的是，這些弱元件通常不包含於伺服器機櫃中的元件之電力供應路徑中。舉例而言，風扇模組的電力是經由包括強、被動元件之一電路所提供。

基於前述內容，由於伺服器機櫃背板的強元件通常不易故障，將弱元件由強元件隔離可使替換弱元件不需移除背板強元件以及供應至裝置(例如風扇模組)的電力。

在本發明中，不易損壞或故障的強元件被放置於一基底平面板，而容易故障的弱元件則分離地放置於一控制模組板。控制模組板可簡單地連接基底平面板或由基底平面板斷開，且為可熱插拔的，也就是說，可以在不關閉供應至基底平面板之電力的情況下，由基底平面板插入或移除控制模組板。換言之，這使得控制模組板得以由基底平面板換上和換下且使基底平面板持續運作和汲取電力。此設計具有這些優點。

主要來說，這提供了操作和維修伺服器極大的靈活性。而傳統的背板設計當背板失效且需要替換時，需要包括關閉供應至整個機箱、背板、以及所有元件的電力，分離的背板設計則不需關閉整個伺服器機箱的電源。因此，由於本發明 的基底平面板大致限制為強元件，基底平面板在弱元件失效時可持續操作。此外，其他伺服器系統的重要元件可持續接收電力和運作。舉例而言，提供對於伺服器系統必要冷卻效果的風扇可持續運作。相對地，當弱元件失效時，這些弱元件大致被限制於控制模組板。因此，要替換弱元件，僅需換下和替換控制模組板，而基底平面板則持續運轉。這相較於前述傳統設計具有更好的優點，因為其可使停機時間為零或趨近於零、最小化資料的損失或損壞、使必要的伺服器元件持續運作、以及藉由隨插即用的方式(plug-and-play fashion)快速替換元件。

第1圖係表示一傳統背板設計的俯視圖，有利於理解如何分離本發明基底平面板和控制模組板之間的元件。此圖式繪製的傳統背板常見於具有統一背板設計的伺服器，相異於本發明。一背板電路板102安設於一伺服器單元，且其經由機箱連接器112連接至機箱。背板電路板102包含若干個連接器，可連接元件至電路板並啟動它們使其對伺服器產生功能。輸入/輸出(I/O)槽104提供若干個插槽使輸入/輸出板可被插入。在一些實施例中，這些可為網路卡和輸入/輸出裝置的PCI熱插拔槽。

若干個風扇模組106亦可設置於背板電路板102。風扇模組106可考慮不易故障的強、被動元件。此外，重要的是在元件有故障事件或需要發生熱插拔事件時，它們將持續運作，如同在伺服器運作時它們提供必要的冷卻效果。

在這個實施例中，提供兩個處理器板連接器108以與處理器板連接。這些是可能易於損壞或故障的弱、主動元 件。積體電路板110亦可連接至背板電路板102，且同樣是易於損換的弱、主動元件。在所描述的傳統背板設計中，其中一個積體電路板110或其中一個處理器板連接器108故障即會造成整體背板須移除、供應至整個背板或整個伺服器的電力須關閉、以及維修或移除失效元件發生的結果。這些結果在伺服器停機時，潛在資料損失或損壞，以及其他技術問題。

如即將討論的，本發明提供對這些問題的一種解決方法，藉由分離強元件和弱元件的分離背板設計之形式。

第2圖係表示一些實施例中之分離背板設計示意圖。如第2圖所示，一基底平面板202為構成一部分分離背板的一板件。基底平面板202包含若干個強電性元件的電性連接器，包括電容、電阻、以及導體。基底平面板202可提供伺服器功能的管理。基底平面板202可以經由機箱連接器204連接至伺服器機箱。一旦機箱與基底平面板202連接，基底平面板202在大多數背板故障的情況下也不需移除。

在一些實施例中，基底平面板202可包括一電源供應器的一連接器，其中電源供應器提供電力至若干個與背板連接的元件。與電源供應器的連接可藉由與伺服器機箱的連接所促成，前述連接可由機箱連接器204達成。在一些實施例中，基底平面板202亦可包括一或多個額外的連接器，包括一或多個風扇模組的連接器，其中風扇模組對於伺服器的冷卻效果是相當重要的。

一控制模組連接器206亦存在於基底平面板202。控制模組連接器206提供基底平面板202和一控制模組板208之 間的連接。

控制模組板208為一板件，例如一電路板，可附於基底平面板202而被供電且使元件可被啟動。控制模組板208包含若干個主動元件的一或多個電性連接器。在一些實施例中，主動元件可為積體電路210。在一些實施例中，主動元件可為控制元件。

第2圖所示的分離背板是設計為可熱插拔的(hot-pluggable或hot-swappable)。特別的是，控制模組板208可從控制模組連接器206移除並替換另一控制模組板208。當控制模組板208被移除時，基底平面板202的元件和連接器如常運作。基底平面板202亦持續從電源供應器汲取電力而不中斷。因此，在控制模組板208被移除時，任何連接至基底平面板202的重要功能將持續提供其功能，例如風扇模組。

在一些實施例中，基底平面板202可包含一匯流排緩衝器(bus buffer)以允許控制模組板208插入正在作用、運轉的基底平面板202而沒有任何資料或元件損壞。在其他實施例中，突波防護可於電源供應器上提供以促進熱插拔。熱插拔電路可提供以額外促進控制模組板208的熱插拔。

在許多背板故障的例子中，這個系統可以允許背板的強元件不中斷地運作。由於弱元件所導致的故障可由移除和替換控制模組板208所修理，包括控制電路板208上的積體電路210，而基底平面板202和它的元件可如常作用。因此，分離背板設計允許可熱插拔的控制模組板208。

在一些實施例中，多個控制模組板208可存在在單 一基底平面板202上。亦即，多於一個控制模組板208可被啟動且連接至基底平面板202，且在基底平面板202的強元件持續操作和汲取電力的情況下，每一個控制模組板208皆可熱插拔。這在故障事件提供了額外的靈活性和強度。

在一些實施例中，可存在多於一個相同的元件，以當作一個元件故障情況下之備用元件。在一額外的實施例中，這些複製元件可以同時在基底平面板202和控制模組板208提供。在一些實施例中，即使在替換元件以及移除控制模組板208期間，複製元件仍可持續運作，而不需中斷持續從電源供應器汲取電力的基底平面板208。

接著請參閱第3圖，第3圖係表示第2圖所示分離背板的示意圖，其中控制模組板310暫時由基底平面板302移除。如第2圖，分離背板被示為具有基底平面板302和控制模組板310。機箱連接器304提供基底平面板302連接至伺服器機箱和電源供應器。基底平面板302上的控制模組連接器306提供一連接器使控制模組板310可附於其上，其中控制模組板310包括若干個積體電路312。然而，控制模組板310未與控制模組連接器306連接。在控制模組板310未連接時，基底平面板302持續運轉。在控制模組板310未連接時，控制模組板310的積體電路312和其他元件停止運作。然而，由於基底平面板302和其重要功能持續運轉，伺服器可持續運行且被背板經由多種方式所管理。

第4圖係表示一些實施例中，分離背板的控制模組板插入基底平面板。如第4圖所示，一基底平面板402連接於伺 服器機櫃的伺服器機箱400。基底平面板402從與伺服器機箱400連接的一電源供應器汲取電力。控制模組連接器404提供與控制模組板408的連接。控制模組板408包含若干個弱電子元件，例如積體電路，這些弱電子元件經由若干個電性連接器附著。在第4圖中，控制模組板408未附於基底平面板402的控制模組連接器404。在一些實施例中，基底平面板402亦包含一強電性連接器406以連接風扇模組。纜線410將強電性連接器406連接至一系列的風扇模組412。在一些實施例中，單一風扇模組412可連接至基底平面板402，而非一系列的的風扇模組412。在其他實施例中，額外的強元件可以藉由額外的強電性連接器連接至基底平面板402。

在第4圖中，即使控制模組板408未連接，風扇模組412仍持續從基底平面板402汲取電力以及運作。這表示分離背板的熱插拔功能允許控制模組板408在未關閉背板的電源或關閉重要功能的情況下被拔除，前述重要功能例如提供重要冷卻功能以避免伺服器機櫃損壞的風扇模組。在一般常見的例子中，一或多個積體電路可能會燒壞且需替換。這可能導致控制模組板408的故障。因此，當一或多個積體電路失效時，控制模組板408可被移除和修理，且多種伺服器功能可以持續地運作。

在一些實施例中，於一般正常運轉時，控制模組板408控制風扇模組412的工作循環(duty cycle)。此工作循環可經由控制模組板408上的積體電路所控制。在需要更多的中央處理器冷卻效果時，工作循環可增加，且當需要較少的中央處 理器冷卻效果時，工作循環可減少。在這樣的實施例中，於控制模組板408被移除和替換的期間，控制風扇工作循環的電路不再作用，故風扇模組412也不再作用。然而，在一些實施例中，基底平面板402包含一電路，當從控制模組板408來的信號不再被接收到時，此電路可操作以傳送信號至風扇模組412。因此，在控制模組板408不再控制風扇工作循環的情況下，仍可達到風扇模組412的完整功能。

在一些實施例中，單一機箱400包含具有複數基底平面板402和複數個控制模組板408的複數個所述背板。在另外的實施例中，以菊花鏈(daisy-chained)方式連至單一機櫃的伺服器機箱400之通信電路可在控制模組板408上提供。然而，基底平面板402可配置提供一分流電路，當控制模組板408移除時啟動。如此一來，即便控制模組板408被移除，複數個機箱400之間的通信仍可維持。

在另外的實施例中，單一背板可在相互連結的伺服器群體中提供。本領域技術人員可以理解到本發明的分離背板之設計具有許多可行的不同配置和實施例。

雖然為了清楚理解的目的，上述例子被詳細地描述，但本發明不限於所提供的細節。有許多實現本發明的可選的方式。所揭露的例子是用以說明性而非用以限定本發明。

202‧‧‧基底平面板

204‧‧‧機箱連接器

206‧‧‧控制模組連接器

208‧‧‧控制模組板

210‧‧‧積體電路

Claims (15)

1. 一背板系統，包括：複數個元件，包括複數個被動元件和至少一主動元件；一基底平面板，支持該些被動元件且包括複數個連接器和至少一控制模組連接器，其中該些連接器與該些被動元件電性耦合，且該些被動元件彼此直接電性連接；以及一控制模組板，支持該至少一主動元件且包括至少一電性連接器，其中該至少一電性連接器與該至少一主動元件電性耦合，該至少一控制模組連接器配置以與該控制模組板接合，其中，藉由接合該控制模組板與該基底平面板，該些被動元件和該至少一主動元件耦合以定義該背板系統，且其中該控制模組板為可熱插拔的，其中該基底平面板包含一匯流排緩衝器，以在該基底平面板正在運作時允許該控制模組板插入。
2. 如申請專利範圍第1項所述之背板系統，其中該基底平面板經由一或多個機箱連接器連接至一機箱。
3. 如申請專利範圍第1項所述之背板系統，其中該些被動元件包括一風扇模組。
4. 如申請專利範圍第3項所述之背板系統，其中當該控制模組板被移除時，該風扇模組持續運作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之背板系統，其中該些被動元件包括一電源供應器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之背板系統，其中該控制模組板可在不關閉該電源供應器的情況下替換。
7. 如申請專利範圍第1項所述之背板系統，其中該控制模組板或該至少一主動元件之故障不影響該些被動元件之運作。
8. 如申請專利範圍第1項所述之背板系統，其中該至少一主動元件包括一控制元件。
9. 一背板系統，適用於一伺服器機箱，包括：複數個元件，包括複數個被動元件和至少一主動元件；一基底平面板，經由一或多個機箱連接器與該伺服器機箱電性耦合，支持該些被動元件且包括複數個連接器和至少一控制模組連接器，其中該連接器與該些被動元件電性耦合，且該些被動元件彼此直接電性連接；以及一控制模組板，與該基底平面板電性耦合，支持該至少一主動元件且包括至少一電性連接器，其中該電性連接器與該至少一主動元件電性耦合，該至少一控制模組連接器配置以與該控制模組板接合，其中，藉由接合控制模組板與該基底平面板，該些被動元件和該至少一主動元件耦合以定義該背板系統，且其中該控制模組板為可熱插拔的，其中該基底平面板包含一匯流排緩衝器，以在該基底平面板正在運作時允許該控制模組板插入。
10. 如申請專利範圍第9項所述之背板系統，其中該些被動元件包括一風扇模組。
11. 如申請專利範圍第10項所述之背板系統，其中當該控制模組板被移除時，該風扇模組持續運作。
12. 如申請專利範圍第9項所述之背板系統，其中該些被動元件包括一電源供應器。
13. 如申請專利範圍第12項所述之背板系統，其中該控制模組板可在不關閉該電源供應器的情況下替換。
14. 如申請專利範圍第9項所述之背板系統，其中該控制模組板或該至少一主動元件之故障不影響該些被動元件之運作。
15. 如申請專利範圍第9項所述之背板系統，其中該至少一主動元件包括一控制元件。