添加热监控电路降低数据中心的能耗

摘要：精确的自适应热管理功能对于数据中心以及其它温度敏感环境下高效的能耗管理非常关键。本文详细介绍了利用1-Wire®技术管理环境温度控制系统的方案，能够使功耗降低两个数量级。

 

所面临的挑战：降低数据中心的功耗

具EPA统计，2006年数据中心的能源消耗占整个美国电力消耗的1.5% (610亿kWh)¹。令人吃惊的是，IT设备本身的消耗只占该项电力消耗的一半；电源和致冷设备的能耗占用了另一半。然而，到目前为止，人们仍将减小数据中心能耗的注意力集中在问题的第一部分：IT设备中芯片和元器件的能效。

为了有效降低数据中心的整体能耗，当务之急是降低致冷设备的能耗。采用智能致冷设备能够提供更高的功率密度，而且无需建立额外的数据中心。此外，还可以在降低电费的同时大大减少碳排放量。

 

传统致冷设备对能源的浪费

数据中心或其它温控环境下并不能将整个空间保持在相同的环境温度。整个空间的纵向和横向温度变化非常显著，具体取决于周围设备是否处于工作状态、空气的流通条件。另外，计算机机房空调(CRAC)的冷却区域经常重叠，导致了冷却冗余。简单地说，由于缺乏智能化的热管理功能，重复性的区域致冷导致数据中心浪费了大量功率。

识别需要降温的区域是降低数据中心能耗的关键。当然，实现这一目标并非易事。复杂的布线以及众多的温度传感器接口增大了管理大量温度测量节点的难度。由此可见，多点温度监控是实现智能化管理的关键。

 

多点温度测量的有效方案

多点温度测量结合适当的温度数据处理，能够优化环境温度控制系统的设计，达到节省功耗、降低成本的目的。在不增加复杂的布线开销的前提下实施这一系统，设计人员可以利用多种技术—例如：基于Zigbee®或其它无线标准的无线传感器网络，也可以采用简单的串行接口有线数据传输方案，例如：Maxim的1-Wire技术。1-Wire系统能够将所有传感器的数据通过单条连线传输，一般可以使用服务器基础架构中CAT5网络电缆的空闲线对。

无线方案比较容易安装，因为很少用到新的连线(只有一个插入本地电源的插头，为模块供电)。但是，目前这种架构中每个传感器模块的花费大约为$10甚至更高，这样的话，将使数据中心的开销增加数千到数万美元。另一方案是采用简单的1-Wire串行接口有线数据传输系统，可以采用寄生供电(每节点小于1mA)，保证每节点的花费仅为几个美元。

1-Wire接口能够解决大规模的多点温度传感器阵列的复杂布线问题(图1)²。利用1-Wire技术，能够通过一对低成本的双绞线(例如CAT5电缆)挂接多个传感器，这些传感器可以分布在机柜或房间内。每个传感器或每组传感器的温度数据按照1-Wire协议以数字形式传送到主机处理器。


详细图片(PDF, 50kB)
图1. 通过添加1-Wire数字温度传感器(如DS28EA00)网络，高效监测多个位置并控制致冷设备，有效改善服务器群的能量管理。
 

识别温度传感器的位置

监测数据中心的多个温度点是一项极具挑战的工作，如何将指定的传感器测量与其物理位置联系起来? 任何手动配置方法都耗时较长，而且昂贵并容易出错。链路工作模式是1-Wire温度传感器应用中的新方案，能够有效解决这一问题(图2)。

所有的1-Wire温度传感器都具有工厂设置的、唯一并且不可更改的64位ID序列号，1-Wire主控制器能够读取该值。基于Maxim独特的1-Wire温度传感器，DS28EA00增加了两个额外引脚，用于顺序检测(如链路模式)。利用DS28EA00的链路模式，在多点配置中，1-Wire主控制器可以读取传感器的注册码并将其与每个器件的物理位置相关联。如果不使用顺序检测功能，这两个引脚可用作通用的输入和输出。


图2. DS28EA00为典型的1-Wire网络引入链路模式功能

因此，在多点温度传感器配置中，链路模式为主机控制器提供计算机控制功能以及全自动地确定每个器件唯一ID的排序位置。顺序排列的ID信息直接与多点温度传感器阵列的物理架构相对应，由此对应于机柜内的每个传感器的物理位置³。利用DS28EA00 64位ID与机柜物理位置的对应关系，系统可以利用其环境控制算法测量存储塔内不同高度和/或位置的温度。

 

寄生供电

为温度传感器阵列供电会增加温度传感器分布的复杂性和成本。幸运的是，1-Wire温度传感器可以通过单条数据线由寄生电源供电。实际上，这种寄生供电模式是1-Wire产品的一个基本特性。

对于IC而言，每个1-Wire器件或传感器内部具有从1-Wire数据波形捕获并存储电荷的电路。当1-Wire总线处于逻辑0状态(例如发送数据0)时，传感器从捕获的电荷获得供电电源。需要注意的是，实际温度测量和量化操作所需要的能量高于内部寄生电源电路能够存储的能量，因此，采用寄生电源供电时，1-Wire总线必须在温度转换周期内保持逻辑1状态。没有使用寄生供电时不受这一条件的约束：在靠近传感器位置连接电源，提供外部供电(例如，DS28EA00具有一个VCC引脚，可以为IC提供电源)。
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精确、可靠的测量

精确的环境温度控制系统的基本要求是高精度温度测量，对于数据中心工作环境而言，典型的温度测量精度要求是±1°C甚至更高。1-Wire温度传感器，如DS28EA00，具有±0.5°C的测量精度，高于基本的性能要求。

DS28EA00还具有类似于温度调节的功能，用户可编程温度测量报警门限，实现自动调节。另外，器件的通用I/O引脚可用于接通或关闭声、光指示器，例如LED或蜂鸣器，用于通报超出温度范围的状态(图3)。


图3. DS28EA00由温度传感器、链路模式检测、GPIO、报警功能以及1-Wire接口组成，采用8引脚小外形封装(µSOP)，能够工作在寄生电源和外部电源。

在典型的服务器群中，每个机架放置多个服务器，可能需要多个温度传感器。这些传感器和其它机架的传感器将温度读数传送到监测服务器群的主机系统，主机系统控制整个系统的致冷。同时，利用它们内部的报警功能，每个1-Wire传感器可以控制本地指示器、报警器和/或温度子系统，启动本地致冷。

 

多点温度监测降低30%的致冷能量

一家大型服务器系统供应商已经利用DS28EA00构建了一套这样的系统。投入运行后，公司指出数据中心致冷设备的能耗降低30%。截至目前，他们节省的能量已超过两百万kWh/年，相当于CO2在大气中的排放量降低了1300吨/年。

 

结论

数据中心致冷设备的能耗已经达到总能耗的一半。因此，智能化的热监测系统成为有效降低数据中心能耗的关键。

DS28EA00 1-Wire温度传感器为构建先进的热监测系统提供了一个高性价比方案，能够满足二十一世纪的现代化应用需求，例如：高效的数据中心。数据表明，多点温度检测能够提供更高效的监控，优化系统的整体管理并显著降低了整体功耗。