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機箱本身的熱設計具有優(yōu)秀的散熱功能，結合CP-TA的標準熱測試與數(shù)值分析軟件的熱仿真，必將以最優(yōu)化的結構成為未來發(fā)展
關鍵詞：先進的通信計算機架構；節(jié)能；最優(yōu)化；趨勢
1 ICT節(jié)能減排背景介紹
隨著我國電信事業(yè)的飛速發(fā)展和通信網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，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)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％，但增長迅速，以現(xiàn)在每年約4％的速度遞增，預計2020年將達到1．43Gt。在中國，這樣的趨勢同樣存在，如圖1所示。因此，ICT節(jié)能減排已是國家中長期戰(zhàn)略目標，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。
在ICT能源消耗中，50％以上來自于服務器與數(shù)據(jù)中心機房。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、低成本的機房架構必將成為未來發(fā)展的趨勢。ATCA以開放性等諸多優(yōu)勢，能在節(jié)能減排上達到極好的性能。
2 ATCA標準介紹
ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture，先進的通信計算機架構)是由PICMG(PCI Industrial Computers Manufactures Gro up，PCI工業(yè)計算機制造組織)于2001年開始制定的，目的是為下一代融合通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡應用提供一個高性價比、基于模塊化結構的、兼容的、并可擴展的硬件架構，同時以模塊結構的形式出現(xiàn)，以支持符合現(xiàn)代傳輸要求的科技或應用。ATCA是一種全開放、可互操作的電信工業(yè)標準，可以滿足數(shù)據(jù)處理服務器的各種應用需求。
ATCA標準由核心規(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)范中的機械設計、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。實質上，核心規(guī)范定義了板對板通信的點對點連接，而輔助規(guī)范定義了這些點對點連接的協(xié)議＼規(guī)范。PICMG3.X包括的四個輔助協(xié)議已經(jīng)被確認通過，它們是：PICMG3．1 Ethernet和FC；PICMG3．2 InfiniBand；PICMG3．3 StarFabric；
PICMG3．4 PCI Express；PICMG3．5高級結構互連／串行高速I／O傳輸(正在制定中)。
通常所說的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等標準規(guī)范。相關的標準族如圖2所示。
3 ATCA的節(jié)能優(yōu)勢
在PICMG 3．X規(guī)范定義下，ATCA在外形設計(機箱)上確保了更大的空間，同時提供了冗余風扇設計，以增強散熱系統(tǒng)的功能。這些基礎設計有效地確保了設備系統(tǒng)獲得電信級的穩(wěn)定性，不會因為散熱不足或設備過熱而導致宕機。
基于ATCA架構的產(chǎn)品有較好的散熱性能，這使得采用ATCA架構的產(chǎn)品能夠采用更高計算速率的CPU，使得在同等條件下，采用ATCA架構的產(chǎn)品可以擁有更快的計算速度、更強的兼容性、更低的成本以及更為靈活和快速的業(yè)務部署能力。
并且，ATCA技術的刀片服務器產(chǎn)品的功耗只有普通刀片服務器的10％，這對于數(shù)據(jù)中心尤其是超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來說意義巨大，可以為數(shù)據(jù)中心緩解其最為迫切的供電問題。
4 CP-TA標準熱測試與結構優(yōu)化設計
由于其良好的機箱散熱功能，使得ATCA服務器在同等條件下能集中更多的發(fā)熱芯片，從而在絕對值上，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度消費的問題。因此，需要相關的驗證平臺對其熱性能作標準化的驗證。通信平臺貿(mào)易聯(lián)盟(CP-TA)是由通信平臺和組件供應商組成的全球性組織，旨在通過互操作性認證來加速部署由SIG管理的、基于開放性規(guī)范的通信平臺。在CP-TA熱測試標準中，已經(jīng)對板卡和機箱的熱測試作了詳細規(guī)定。這使得標準化的測試設備、測試流程和測試結果衡量方法成為可能。
4．1 CP-TA熱測試
對ATCA產(chǎn)品散熱性能的驗證與分析包括板卡級與機架級。
對于普通的板卡級熱試驗，其主要的測試指標為板卡風阻。風阻是板卡的固有性質，與板卡結構和形狀有關，不受環(huán)境影響，它反映的是板卡對固定風流的阻檔能力，即對機柜散熱的影響。風阻越大，機柜散熱效果受到的影響越大，散熱越差。對于ATCA標準板卡，使用標準化風洞設備創(chuàng)造恒穩(wěn)的、風速可控的環(huán)境風流，利用設備自帶的風壓傳感器和風速信息，計算得到板卡風阻值，其計算方法如下：
風阻=風壓／風速
圖3是風阻測量裝置搭建方案，將待測板卡插入風洞，風洞通過數(shù)據(jù)線與計算機相聯(lián)，開啟風洞即可輸出相關數(shù)據(jù)。
(注： Pressure Sensor：風壓傳感器；Airflow Sensor：風速傳感器；Airflow Q：風量；Q-P curve of a board：風量-風壓曲線；Airflow／Pressure Sensor and Tunnel Controller：風速／風壓傳感器及信號處理系統(tǒng))
一款經(jīng)過良好熱設計的板卡，可以在不影響性能的前提下，有效地減少自身風阻，從而有利于機箱整體的散熱環(huán)境。
機架級熱測試技術包括對ATCA機架的風速和風溫熱測試。風速和風溫信息反映機箱的送風和散熱能力，它與機箱風扇型號、規(guī)格、排放位置、風速情況、以及機箱本身的物理結構設計有關。利用標準的測試板卡創(chuàng)造一個標準化的測試環(huán)境，可以得到不同型號機箱的風速／風溫值，從而對它們的散熱能力進行比較。其過程是將定制的標準參照板和帶有傳感器的測試板插入機箱，模擬一排服務器插入機箱的情況。從連在測試板上的傳感器中能得到被測槽位的風速信息。然后將每個槽位的信息綜合比較得到風速的整體分布。圖5為風速／風溫測量裝置搭建方案。
在設備更換可更換單元，部分風扇失效的情況下，仍可進行上述測試，并與CP-TA標準進行比對。
目前，由于ATCA設備具有標準化的特點，便于使用標準化測試設備(如DegreeC Blade Profiler和Chassis Scan)對其進行實驗。然而這些實驗設備尚不支持非ATCA標準板卡和機箱的熱測試。即便有企業(yè)使用其它的風阻／溫度傳感和記錄設備或風洞設備對非ATCA標準的板卡與機箱進行測量，其結果也沒有相關的標準來衡量，因而缺乏可靠性與可信度。就這點來說，ATCA標準設備在節(jié)能熱測試與定性衡量方面本身具有很大的優(yōu)勢，對于非ATCA設備的節(jié)能熱測試也亟需相關的規(guī)范化測量設備與標準。
4．2 結構熱優(yōu)化設計
在產(chǎn)品投入制造過程之前，以及在標準CP-TA驗證測試過程完成后，都有必要對板卡和機箱的結構進行熱優(yōu)化。
熱優(yōu)化技術包括對板卡本身的熱模擬，以及對機箱和其中氣流組織環(huán)境的固一流耦合模擬。其過程主要包括：幾何模型建立、力學模型建立、物理性質規(guī)定、初始加載條件和邊界條件規(guī)定、全過程加載條件規(guī)定、數(shù)值運算公式選擇和后處理幾個步驟。
通過實驗測量為計算提供必要參數(shù)，如板卡尺寸、物理材質、指定區(qū)域熱性能參數(shù)等，通過數(shù)值計算得到實驗無法測知的信息，如全空間的熱傳遞情況、氣流通路以及改進設計方法。其實驗與計算結果應互為驗證，從而得到最為優(yōu)化的設計方案。
5 前景展望
盡管ATCA在性能方面優(yōu)勢顯著，但它同時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技術本身是定義為電信級運營服務的，盡管有良好的散熱系統(tǒng)，但是每個插槽的功耗卻接近200W，而其對外的各接口(電口和光口等)也時刻保持著備用接入，其能耗相當高。這里設想，對于其遍布機架各部分的傳感器，能否實現(xiàn)自適應的識別到是否在端口加載其他設備，來智能地控制端口的使用，以減少相當?shù)目蛰d能耗，將會是未來ATCA綠色節(jié)能領域的一個重要的研究方向。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)中的關鍵問題。特別是隨著整個社會都在積極倡導節(jié)能，基于ATCA的最大優(yōu)勢在于，它能夠通過有效的關鍵點分布設計原則，在實現(xiàn)整機供電充分的前提下，將功耗保持在最佳策略，使得采用ATCA架構的高端產(chǎn)品比其他架構的、同檔次的產(chǎn)品，擁有更低的功耗。
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