ATCA：綠色節(jié)能的未來(lái)趨勢(shì)

摘要：ATCA為迅速發(fā)展的ICT產(chǎn)業(yè)提供了一套高性能、低成本和低功耗的節(jié)能減排解決方案。ATCA機(jī)箱本身的熱設(shè)計(jì)具有優(yōu)秀的散熱功能，結(jié)合CP-TA的標(biāo)準(zhǔn)熱測(cè)試與數(shù)值分析軟件的熱仿真，必將以最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)成為未來(lái)發(fā)展
關(guān)鍵詞：先進(jìn)的通信計(jì)算機(jī)架構(gòu)；節(jié)能；最優(yōu)化；趨勢(shì)

1 ICT節(jié)能減排背景介紹
    隨著我國(guó)電信事業(yè)的飛速發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電信企業(yè)的能源消耗也在迅速增加。目前，ICT(信息與通信技術(shù))產(chǎn)業(yè)的CO2排放量雖然只占全球所有行業(yè)碳排放量的2％，但增長(zhǎng)迅速，以現(xiàn)在每年約4％的速度遞增，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到1．43Gt。在中國(guó)，這樣的趨勢(shì)同樣存在，如圖1所示。因此，ICT節(jié)能減排已是國(guó)家中長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)，在“十二五”規(guī)劃中也明確提出了ICT節(jié)能減排的要求與指標(biāo)。

    在ICT能源消耗中，50％以上來(lái)自于服務(wù)器與數(shù)據(jù)中心機(jī)房。在有限的空間內(nèi)，在減少能耗、提高能源利用率的前提下，高能效、低成本的機(jī)房架構(gòu)必將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。ATCA以開(kāi)放性等諸多優(yōu)勢(shì)，能在節(jié)能減排上達(dá)到極好的性能。

2 ATCA標(biāo)準(zhǔn)介紹
    ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture，先進(jìn)的通信計(jì)算機(jī)架構(gòu))是由PICMG(PCI Industrial Computers Manufactures Gro up，PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造組織)于2001年開(kāi)始制定的，目的是為下一代融合通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一個(gè)高性價(jià)比、基于模塊化結(jié)構(gòu)的、兼容的、并可擴(kuò)展的硬件架構(gòu)，同時(shí)以模塊結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，以支持符合現(xiàn)代傳輸要求的科技或應(yīng)用。ATCA是一種全開(kāi)放、可互操作的電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的各種應(yīng)用需求。
    ATCA標(biāo)準(zhǔn)由核心規(guī)范PICMG3．0和一系列輔助規(guī)范PICMG3．X組成。核心規(guī)范定義了ATCA系列規(guī)范中的機(jī)械設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管理、電源分布、散熱、背板互連等部分；輔助規(guī)范內(nèi)容則定義了在核心規(guī)范中互連的傳輸方式。實(shí)質(zhì)上，核心規(guī)范定義了板對(duì)板通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，而輔助規(guī)范定義了這些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的協(xié)議＼規(guī)范。PICMG3.X包括的四個(gè)輔助協(xié)議已經(jīng)被確認(rèn)通過(guò)，它們是：PICMG3．1 Ethernet和FC；PICMG3．2 InfiniBand；PICMG3．3 StarFabric；
    PICMG3．4 PCI Express；PICMG3．5高級(jí)結(jié)構(gòu)互連／串行高速I(mǎi)／O傳輸(正在制定中)。

    通常所說(shuō)的ATCA一般是指PICMG3．X系列規(guī)范，廣義的ATCA包括PICMG組織制定的ATCA＼ATCA300以及MicroTCA＼AMC等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)族如圖2所示。

3 ATCA的節(jié)能優(yōu)勢(shì)
    在PICMG 3．X規(guī)范定義下，ATCA在外形設(shè)計(jì)(機(jī)箱)上確保了更大的空間，同時(shí)提供了冗余風(fēng)扇設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)散熱系統(tǒng)的功能。這些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有效地確保了設(shè)備系統(tǒng)獲得電信級(jí)的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)樯岵蛔慊蛟O(shè)備過(guò)熱而導(dǎo)致宕機(jī)。
    基于ATCA架構(gòu)的產(chǎn)品有較好的散熱性能，這使得采用ATCA架構(gòu)的產(chǎn)品能夠采用更高計(jì)算速率的CPU，使得在同等條件下，采用ATCA架構(gòu)的產(chǎn)品可以擁有更快的計(jì)算速度、更強(qiáng)的兼容性、更低的成本以及更為靈活和快速的業(yè)務(wù)部署能力。
    并且，ATCA技術(shù)的刀片服務(wù)器產(chǎn)品的功耗只有普通刀片服務(wù)器的10％，這對(duì)于數(shù)據(jù)中心尤其是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)意義巨大，可以為數(shù)據(jù)中心緩解其最為迫切的供電問(wèn)題。

4 CP-TA標(biāo)準(zhǔn)熱測(cè)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    由于其良好的機(jī)箱散熱功能，使得ATCA服務(wù)器在同等條件下能集中更多的發(fā)熱芯片，從而在絕對(duì)值上，產(chǎn)品具有較高的能耗。此外，優(yōu)良的散熱性能也容易引起過(guò)度消費(fèi)的問(wèn)題。因此，需要相關(guān)的驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)其熱性能作標(biāo)準(zhǔn)化的驗(yàn)證。通信平臺(tái)貿(mào)易聯(lián)盟(CP-TA)是由通信平臺(tái)和組件供應(yīng)商組成的全球性組織，旨在通過(guò)互操作性認(rèn)證來(lái)加速部署由SIG管理的、基于開(kāi)放性規(guī)范的通信平臺(tái)。在CP-TA熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)對(duì)板卡和機(jī)箱的熱測(cè)試作了詳細(xì)規(guī)定。這使得標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試流程和測(cè)試結(jié)果衡量方法成為可能。
4．1 CP-TA熱測(cè)試
    對(duì)ATCA產(chǎn)品散熱性能的驗(yàn)證與分析包括板卡級(jí)與機(jī)架級(jí)。
    對(duì)于普通的板卡級(jí)熱試驗(yàn)，其主要的測(cè)試指標(biāo)為板卡風(fēng)阻。風(fēng)阻是板卡的固有性質(zhì)，與板卡結(jié)構(gòu)和形狀有關(guān)，不受環(huán)境影響，它反映的是板卡對(duì)固定風(fēng)流的阻檔能力，即對(duì)機(jī)柜散熱的影響。風(fēng)阻越大，機(jī)柜散熱效果受到的影響越大，散熱越差。對(duì)于ATCA標(biāo)準(zhǔn)板卡，使用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)洞設(shè)備創(chuàng)造恒穩(wěn)的、風(fēng)速可控的環(huán)境風(fēng)流，利用設(shè)備自帶的風(fēng)壓傳感器和風(fēng)速信息，計(jì)算得到板卡風(fēng)阻值，其計(jì)算方法如下：
    風(fēng)阻=風(fēng)壓／風(fēng)速
    圖3是風(fēng)阻測(cè)量裝置搭建方案，將待測(cè)板卡插入風(fēng)洞，風(fēng)洞通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，開(kāi)啟風(fēng)洞即可輸出相關(guān)數(shù)據(jù)。

    (注： Pressure Sensor：風(fēng)壓傳感器；Airflow Sensor：風(fēng)速傳感器；Airflow Q：風(fēng)量；Q-P curve of a board：風(fēng)量-風(fēng)壓曲線；Airflow／Pressure Sensor and Tunnel Controller：風(fēng)速／風(fēng)壓傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng))
    一款經(jīng)過(guò)良好熱設(shè)計(jì)的板卡，可以在不影響性能的前提下，有效地減少自身風(fēng)阻，從而有利于機(jī)箱整體的散熱環(huán)境。
    機(jī)架級(jí)熱測(cè)試技術(shù)包括對(duì)ATCA機(jī)架的風(fēng)速和風(fēng)溫?zé)釡y(cè)試。風(fēng)速和風(fēng)溫信息反映機(jī)箱的送風(fēng)和散熱能力，它與機(jī)箱風(fēng)扇型號(hào)、規(guī)格、排放位置、風(fēng)速情況、以及機(jī)箱本身的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。利用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試板卡創(chuàng)造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試環(huán)境，可以得到不同型號(hào)機(jī)箱的風(fēng)速／風(fēng)溫值，從而對(duì)它們的散熱能力進(jìn)行比較。其過(guò)程是將定制的標(biāo)準(zhǔn)參照板和帶有傳感器的測(cè)試板插入機(jī)箱，模擬一排服務(wù)器插入機(jī)箱的情況。從連在測(cè)試板上的傳感器中能得到被測(cè)槽位的風(fēng)速信息。然后將每個(gè)槽位的信息綜合比較得到風(fēng)速的整體分布。圖5為風(fēng)速／風(fēng)溫測(cè)量裝置搭建方案。

    在設(shè)備更換可更換單元，部分風(fēng)扇失效的情況下，仍可進(jìn)行上述測(cè)試，并與CP-TA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。
    目前，由于ATCA設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，便于使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試設(shè)備(如DegreeC Blade Profiler和Chassis Scan)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備尚不支持非ATCA標(biāo)準(zhǔn)板卡和機(jī)箱的熱測(cè)試。即便有企業(yè)使用其它的風(fēng)阻／溫度傳感和記錄設(shè)備或風(fēng)洞設(shè)備對(duì)非ATCA標(biāo)準(zhǔn)的板卡與機(jī)箱進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果也沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，因而缺乏可靠性與可信度。就這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，ATCA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在節(jié)能熱測(cè)試與定性衡量方面本身具有很大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于非ATCA設(shè)備的節(jié)能熱測(cè)試也亟需相關(guān)的規(guī)范化測(cè)量設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)。
4．2 結(jié)構(gòu)熱優(yōu)化設(shè)計(jì)
    在產(chǎn)品投入制造過(guò)程之前，以及在標(biāo)準(zhǔn)CP-TA驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程完成后，都有必要對(duì)板卡和機(jī)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱優(yōu)化。
    熱優(yōu)化技術(shù)包括對(duì)板卡本身的熱模擬，以及對(duì)機(jī)箱和其中氣流組織環(huán)境的固一流耦合模擬。其過(guò)程主要包括：幾何模型建立、力學(xué)模型建立、物理性質(zhì)規(guī)定、初始加載條件和邊界條件規(guī)定、全過(guò)程加載條件規(guī)定、數(shù)值運(yùn)算公式選擇和后處理幾個(gè)步驟。
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量為計(jì)算提供必要參數(shù)，如板卡尺寸、物理材質(zhì)、指定區(qū)域熱性能參數(shù)等，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)知的信息，如全空間的熱傳遞情況、氣流通路以及改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。其實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果應(yīng)互為驗(yàn)證，從而得到最為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

5 前景展望
    盡管ATCA在性能方面優(yōu)勢(shì)顯著，但它同時(shí)也有一些有待提升和改良的部分。特別是在節(jié)能減排上，由于ATCA技術(shù)本身是定義為電信級(jí)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的，盡管有良好的散熱系統(tǒng)，但是每個(gè)插槽的功耗卻接近200W，而其對(duì)外的各接口(電口和光口等)也時(shí)刻保持著備用接入，其能耗相當(dāng)高。這里設(shè)想，對(duì)于其遍布機(jī)架各部分的傳感器，能否實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的識(shí)別到是否在端口加載其他設(shè)備，來(lái)智能地控制端口的使用，以減少相當(dāng)?shù)目蛰d能耗，將會(huì)是未來(lái)ATCA綠色節(jié)能領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。此外，如何更為有效地降低電源功耗，一直是高端產(chǎn)品研發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題。特別是隨著整個(gè)社會(huì)都在積極倡導(dǎo)節(jié)能，基于ATCA的最大優(yōu)勢(shì)在于，它能夠通過(guò)有效的關(guān)鍵點(diǎn)分布設(shè)計(jì)原則，在實(shí)現(xiàn)整機(jī)供電充分的前提下，將功耗保持在最佳策略，使得采用ATCA架構(gòu)的高端產(chǎn)品比其他架構(gòu)的、同檔次的產(chǎn)品，擁有更低的功耗。