IBMSystemX系列服务器电源概念及解决方案.docx

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IBMSystemX系列服务器电源概念及解决方案

IBMSystemX系列服务器电源概念及解决方案

第一章介绍

综述

  本指南介绍了电源传输系统“如何”将电源传输到Systemx系列服务器，和Systemx系列服务器的电源传输的配置具体是“什么”以及“为什么”这样配置。

我们将介绍电流如何工作并且提供一些相关资料，然后通过实例来帮助我们做好合理的电源配置。

当前的目标是要将电的理论与电的具体应用联系起来。

本文档只适用于美国地区。

本文档只提供指导性资料，并不全面，仅供参考。

基础公式

  运动的电荷形成电流（例如，导体中的电子）.电流的单位是安培（A）。

一些材料，特别是铜，银等金属材料在电场作用下含有很多自由电子。

这些材料就有传输电流的能力。

金属导线中的每个自由电子都携带着电流在电场的作用下加速运动，直到在导体内因碰撞而失去速度。

随后自由电子又被加速，并且再次发生碰撞。

促使电子持续被加速和移动的能量被称作两点之间的电位差。

电势差的单位是伏特（V）。

电阻就是自由电子在导体中运动发生碰撞而遭受的阻力。

电阻的主要影响因素是材料的自身的自然特性和形状。

电阻值（R）的单位是欧姆（Ω），可用下面的等式表示：

      电阻（R）等于一个常数（ρ）和导体长度（L）的积与导体横截面积（A）的商。

  长的导线电阻较大，横截面积小的电阻较大。

  电阻越大，驱动电路中电流所需的能量就越大。

电炉中的导线有很大的电阻，电流就使导线变成红热。

  欧姆定律描述了在电流，电压和电阻之间的直接关系，用等式表示：

      电压（V）等于电流（I）和电阻（R）的乘积：

V=I*R

  基本的观点就是，如果电路中的电阻变大，要保持电压值不变，电流值就会变小。

  电流工作的量用功率来表示。

功率的单位是瓦特（W）。

焦耳定律描述了功率，电压和电流之间的关系，可以用下面的等式表示：

      功率（W）等于电流（I）和电压（V）的乘积：

W=I*V

  扩展的等式：

W=I2*R

  因为电炉中的导体有很大的电阻值，电流产生的大量的功率以热和红光的形式散发出来。

  问题1A：

如果一台服务器消耗500W的功率，当输入电压为208V时，电流多大？

  208V时电流为（*208=500）

  问题1B：

如果电压为110V，电流多大？

  110V时电流为（*110=500）

  功率的公式是非常重要的一个公式。

对于计算机，我们服务器所需要的功率，每个配置方案都是上述等式中的一个固定值。

这就说明，我们需要管理电压和电流的数值。

  在多数情况下，主要是电流的限制，因为导线（或者PDU）会产生I2*R的热量（W）。

实际中，如果一台服务器的功率是300W，电压为208V时，电流为；电压为120V时，电流为。

导线或者PDU会产生*R或者*R的热量，很明显，*R是一个更理想的数值。

了解电流

  为了方便理解，我们用水来类比电流。

相对与水管里流动的水流来说，电子流就像水流，而导线就是水管。

  安培数就像流过水管的水流量。

当电路接通时，电流计会测量出流过电路的电流，就像房子里面的水表会测量出水池，洗衣机，淋浴以及洒水系统所消耗的水流一样。

当较少的电子通过电路时，安培数就小；大量电子通过电路时，安培数就会很大。

  伏特可以看作是水的压力。

如前文描述，电压用伏特度量，而水压的度量单位通常是磅每平方英寸等。

电压计接入电路后，就能测量出该电路的电压。

电池或者发电机就像是水泵一样。

  欧姆定律的最后一部分是导体的电阻。

再拿水做比较，大的导线就像消防栓（电阻小），而小的导线就像是花园的喷头（电阻大）。

  让我们进一步研究一个花园的洒水系统，来帮助我们理解影响我们电源设计的电流和电压。

  首先，洒水喷头就比作我们的服务器。

一台1u的服务器就比作一个小型的喷头（下左图），而一个高功率的4路服务器，比如x3850可以看作一个流量更大的喷头（右下图）。

  在总阀门处的水压是50psi。

整个供水系统用3/4"的PVC水管铺设。

这个实例中，在总阀门处能通过的最大水量为16gps。

在现实情况中，我们可以通过水流测试得到这个最大水流量的值。

知道了最大流量，我们就可以确定在整个系统中可以接多少个喷头。

例如，我们可以在一个系统中连接5个流量为3gps的喷水头。

一旦这个系统的流量达到最大限制，我们就必须创建另一个系统。

  如果这个系统使用1"的PVC水管铺设，那么他就可以传输24gps的水流，我们就可以在这个系统中多接3个喷头。

这就好比我们的大容量的PDU和电缆。

冗余电源

  当我们在研究一台服务器的电源需求时，不要犹豫或者拒绝配置冗余电源。

在设计时必须考虑用一组电源为服务器提供全部的功率负载，用另一组PDU为所有的服务器提供冗余电源。

  基于这个考虑，我们会为家庭供水系统提供一个冗余备用的供水系统。

现在我们就拥有2个都能提供16gps水流量的50ps水压的供水阀门。

通常情况，这两组阀门会同时提供大概8gps的水流量。

但是，这并不代表我们可以再向这个系统中添加5个喷头。

如果我们的第一组供水阀门出现问题，我们还可以利用另外一组阀门继续工作，所以我们仍只连接5个喷头。

  通常情况，我们让系统工作在50%的负载（最坏的情形）。

关键问题是，如果我们让系统在50%的负载容量下工作，那么在故障状况下，将是运行在100%的负载。

关于冗余电源的更详细的讨论，请参阅第三节。

交流电源

  电源主要有两种：

      交流电——传输到数据中心或办公室的电源

      直流电——服务器部件运行所需的电源

  办公室中使用的是单向交流电源。

如果用示波器观察办公室的电源输出，就会发现这个电源的波形就是峰值为-170伏特到170伏特的正弦波。

  但是有效值（RMS）为120伏特。

RMS是“RootMeanSquare”的缩写，这是一种标准的交流电的电压和电流的表示方式。

并不代表最高值，而是平均值。

有效值（RMS）是峰值电压与2的平方根（近似值为）的乘积。

这个值是实际可用的电压值。

  我们在配置电源的过程中，通常会遇到单相和三相交流电源。

由于交流电源是正弦波型，因此三个相位的偏移可以传输更多的电源。

  发电厂同时生产出三个不同相位的交流电，并且这三个相位相互偏移120度。

因此发电厂用四根电线输送电源：

三个相位和一个公共的零线或者公共地线。

三相电源就是有三个同步的相位差为120度的三个单相交流电。

三相电的好处就是每个相位都可以单独为机箱中的服务器供电。

  为什么选用三相电源？

为什么不选用单相，双相或者四相的电源？

单相和双相电源正弦波每秒种有120个时刻经过0伏特。

三相电源中，在任何时刻三相中的任何一相都接近一个平均值。

电厂四相电源输送电能会有很明显的改善，但是要增加第四根电线。

因此，三相电源是一个平衡折中额选择。

  那么在机柜中，三相电对单相电的真实影响是什么？

一个60A的单相电路只能提供60A的电流，如前所述有效值仅为48A。

三相电路的每一相都可以提供27A的电流，总共就可以提供81A的电流。

事实就是，这跟RMS值密切相关，这会是电路消耗在0点的时间大大减少。

  关于电能如何从电厂传输到本地的更多信息，请参阅1.AppendixC。

高功耗服务器

  电源将交流电转换为直流电。

电源的效率就是将多少输入交流电源转换为多少直流电输出。

例如，IBM的BladeCenter服务器的电源拥有非常高的效率，能将90%以上的交流电转换为直流电。

  那么服务器电源需求的发展方向如何呢？

这会有两种答案：

  1）CPU的功耗在短期内会提高，然后功耗会开始降低。

  2）未来服务器的功耗将会越来越大。

这两种答案可能都是对的。

  由于新技术的出现，在近期CPU的功耗会降低一些，但是接着CPU的功耗会再次提高。

如第一个图表中所描述，系统级的功耗中有些部件的功耗会降低但是其它部件的功耗会提高。

机柜级别的功耗要考虑部件的高密度问题。

第二章数据中心的电能传输

接插件

  目前广泛使用的有多种不同的接口类型。

下图所示的是我们最长使用的一种。

通常将传输电流的最大能力作为选择接口类型的主要因素。

  注：

NEMA和IED标准的比较。

在一个面积已经固定了的电子设备上能集成的NEMA输出插座的数量会比较少，因为NEMA标准的输出插座体积比较大。

因此，NEMA标准的输出插座一般用于低密度的设备，而IEC标准的输出插座用于比较复杂的高集成度的产品。

  1.NEMA5-15——电流最大值为15A。

右图是我们在家里经常看见的插座。

  2.C13插头——电流最大值10A（母口），通常用于机架，高密度和企业级的PDU输出插座。

（见图7，上排）。

C13插座是一个被全球范围内广泛用于机架内部电源输出接口。

并且高低压电通用。

  3.C14插头——电流最大值10A（公口）。

通常作为机架式和塔式服务器的输入插头（功耗低于1500W）（图7，下排）。

注意：

数字小的是母口。

电流从母口接头流向公口接头。

另外一种形象的描述是母口接头将会发热但是公口的接头不会发热。

这是因为C14的插头能被螺丝刀等物品短路，但是C13插座却不会出现这种情况。

  4.C19——最大电流值16A（母口）。

机架，高密度和企业级PDU的输出插座。

FEPDU和机架式PDU的接口。

刀片服务器的电源线接口。

（图8，上排）

  5.C20——最大电流值16A（公口）。

刀片服务器电源输入和机架式PDU输入接口。

（图8，下排）

  6.L5-20P和L6-20P：

最大电流值20A。

用于PDU的电源线。

  7.L6-30P：

电流最大值30A。

用于PDU的电源线。

（见图31L6-30P）

  8.IEC3092P+G——电流最大值单相60A。

用于PDU的电源线。

（见图32IEC3092P+Gnd）

  9.IEC3093P+G——电流最大值三相60A。

用于PDU电源线。

（见图33IEC3093P+Gnd）

  ——电流限制：

用于BladeCenterH刀片服务器和IBMPDU使用的电源线（非常复杂）。

PDUs

介绍

  我们在给机柜和服务器配置供电使用的PDU时，经常会被数量繁多的种类所迷惑。

注意：

在笔者的实验室环境下，美国所有电路的效率要下降20%，因此：

·一个20A的电路只能支持提供最大16A的电流。

·一个30A的电路只能支持提供最大24A的电流。

·一个60A的电路只能支持提供最大48A的电流。

但是，一个60A三相电路的PDU最大能支持27*3或者说是81A的最大电流。

  图9所示是最简单的PDU配置。

在这个配置中，只有一个机柜的PDU接到墙上的电源输出插座（或者是一个前端的PDU）。

这个简单的拓扑图显示，通过一个通用机柜PDU例如32P1736，给多达七个设备提供的没有冗余的简单电源。

（见第节）。

  这个通用PDU的最大电流是15A，因此根据高压或者低压电路供电，所能提供的最大功率为1760W或者是3328W。

（W=I*V）

  我们在这个配置中添加另外一组供电电路和PDU来给我们的服务器提供冗余的电源。

在这个拓扑结构中，即使是一组电源损坏，另一组电源和PDU会给负载供电，而不会使这个解决方案宕机。

因此，我们和例1中的电源限制是相同。

  这个配置中附加的前端或者企业级的PDU，能够供多组机柜PDU连接到大电流的电源环境中。

  PDU和机柜

  IBM的42U企业级机柜内可以放置16个PDU，IBM标准机柜可以放置12个PDU。

  NetBAY42企业级机柜（93084RX）：

是一款符合工业标准，19英寸的EIA-310-D标准，A类42U高度的机柜。

机柜的4个侧面板支持1U高度的PDU和交换机等，节省昂贵的机柜空间。

  NetBAY40标准机柜（93074RX）：

是一款符合工业标准，19英寸的EIA-310-D标准，A类42U高度的机柜。

6个侧面板支持1U高度的PDU和交换机等，节省昂贵的机柜空间。

  NetBAY25标准机柜（93072RX）：

除了提供25U的高度并且只有2个侧面板之外，其他特性都和NetBAY42SR相同。

  IBMPDU信息

  IBM提供了分布式电源互联接口（DPI）的产品，一个“零U”PDU产品系列，为少数服务器到一组大型企业级服务器阵列（没有多余的昂贵机柜空间）所设计的配套解决方案。

这些产品可以提供冗余的电源配置，从而消除单个故障点，并且保证了更高级别的数据安全。

  由于这个文档的初始版本发布时，正处在所有产品的产品编号专项符合RoHS标准的转换，所以新旧编号都包含在该文档的说明和图表中。

其中红色标记的编号是新编号。

符合RoHS的产品编号。

  DPI通用机柜PDU

·通用电压（100-240V，50-60Hz）

·包含7个C13插座

·电源输入插头是C20插头，并且位于PDU的后面板

·该PDU高度是1U，宽度是1/2机柜宽度。

安装在侧板

·该PDU包含一个15A的保险保护

·标配一根2米的用于链接前端PDU的IECC19-C20的电源线，NA版的还标配一个L5-20p和L6-20p的电源线

·产品编号是32P1736和39Y8951

  DPI前端PDU

·电压：

高低电压通用

·包含3个符合IECC19标准的输出插座

·1U高，1/2标准机架宽度，标配侧面板装载附件。

前端PDU可以放在使用机架PDU的EIA空间中

·可以和机架式PDU放置在同一个托架上来简化安装——安装在侧面板或者EIA空间

·DPI前端PDU背后有一个特殊的插头（见图12特殊插头）。

这个插头允许客户连接不同的线缆。

他允许客户使用这个插头选择连接低压30A，高压30A或者高压60A的不同电缆。

·注意：

前端PDU可以直接连接电源和大电流的服务器，例如IBM的刀片服务器

·产品编号是32P1751,32P1766,32P1767和39Y8938,39Y8939,39Y8940

DPI企业级PDU

  企业级PDU为使线路方便把输出插座，保险丝和电缆输入插座放在同一侧。

·只有高压PDU

·分为两种：

1.包含6个C19的输出插座。

每个输出插座有一个16A的保险管保护。

2.其他型号包含12个C13输出插座。

每两个输出插座有一个10A的保险管保护。

·1U高全机架宽度。

标配包含EIA安装和侧面安装的附件

·输入电源通过更换不同的电缆是可变化的。

（特殊的插座）

·最大电流容量包含60A单相（IEC3092P+G插座）和三相（IEC3093P+G插座）版本

·产品编号：

新的符合RoHS标准的企业级DPIPDU标配不包含电缆线。

电缆线必须单独订购。

  关于PDU的总结

第三章设计电源解决方案

SystemX电源需求

SystemX电源配置工具

  电源配置工具可以用来确定配置每个选件的电源需求。

在下一节中将会有一个这样输出的例子。

这些信息也会包含在每个产品的发布信息里。

SystemX电源注意事项

  举例说明高压电源的重要性，我们考虑如果一台单个电源为1300W的x366服务器，使用220V的电源。

这单个电源给这台没有冗余电源的服务器提供电源。

如果使用110V，相同的单个电源提供的功率数才有650W。

  一个110V供电的电源大概仅能支持最大的配置是1个微处理器，2个PCI-X适配卡，3个硬盘驱动器，和4个内存条。

如果超出这个配置，就需要加装第二个电源或者使用220V的供电输入。

  如果安装了两个110V供电的电源，不能为如上述配置的服务器提供冗余电源，因为如果一个电源宕机，这个服务器需要1088W的电源供应，但是单个剩余的电源仅能提供650W。

如果使用220V供电，就可以为这服务器提供冗余电源，因为单个220v供电的电源能提供1350W的功率。

  我们在设计电源解决方案时将使用“最大值”。

为什么呢？

最大值是电源能够从输入电路提供的最大能力，并且我们因此可以确定现有的服务器的任何子系统升级不会超过电源解决方案的负载能力。

另外，“电器规范与条例规定所有的电子设备的使用都要依据清单标识和标签标识。

电气服务必须依据系统的标签标识而不是测量电流。

”

  最大的标准数据将被用于HVAC计划。

  IBMDirector软件有一个新插件叫PowerExecutive。

PowerExecutive能收集和监视机箱和服务器的电源消耗数据，管理数据和导出数据。

今年晚些时候，PowerExecutive会向客户端提供限制一台服务器或者一组服务器电源消耗数量的功能，以有效的计划和利用可用电源来获得最大的应用性能。

解决方案配置实例

从电源配置工具里面得出的数据在下面的表格中列出。

  下面列出的配置是针对三种不同的电源输入情况列出：

30A，单相；60A，单相；和60A，三相。

不是所有可能的配置都列出来——只列出有指导作用的数据。

  首先，我们会考虑30A单相的方案。

一对30A的电路足够。

记住，30A电路会降低20%的效率，仅能提供24A。

1）一种选择是使用两个前端PDU（32P1766/39Y8939）和需要各自连接的两个机柜PDU（32P1736/39Y8951）。

这会和图11每一侧的DPI前端PDU的配置相似。

如果选择这个方案，请记住x336只能从所连接的机柜PDU中获得一半的电流，因此336和346需要用另一个PDU。

2）同样我们可以使用2个30A单相的C13企业级PDU（26K4246/39Y8941+40K9614）。

这些PDU每个会提供12个输出插座，但是每个PDU会使用其中的8个。

这是一个不错的选择，因为使用大多数插座被使用，同时大多数可用的电流就已经被分配。

  接着，我们看一下60A单相的解决方案：

1）我们再次使用两个C13企业级PDU，这次是60A单相的版本。

（26K4242/39Y8941+40K9615）。

和上面一样，使用了每个PDU的多数插座，但是这个案例中，机柜中仍然有一小部分没有使用的电流。

我们将在下个例子中看到这不是可选的解决方法。

2）另一个给我们更大扩展能力的选择是采用两个C19的企业级PDU（26K4256/39Y8948+40K9615）像前端PDU一样使用，用来连接4个机柜PDU（32P1736/39Y8951）。

这种方法，我们仍然有将来添加机柜PDU的能力。

这个配置会和图13每一侧的连接类似。

我们也可以能使用60A的前端PDU（32P1767/39Y8940），但是未来扩展就受到限制。

采用60A三相电源的可能配置：

1）我们可以使用两个60A三相的C13企业级PDU（26K4244），但是必须赶紧订购这种PDU，因为这种PDU将要停产。

2）更好选择是采用两个C19的企业级PDU（26K4258/39Y8923）像前端PDU一样连接4个机柜PDU（32P1736/39Y8951）。

这种方法给我们提供了将来添加机柜PDU的扩展能力。

  下一个例子，我们会在第一个例子的基础上进行扩展。

在这个例子中，我们增加了x336，x346和EXP710的数量：

1）Web服务器：

数量4个x336服务器

2）应用程序服务器：

数量2个x346服务器

3）存储设备：

DS4300Turbo和2个EXP710扩展单元。

  这次，我们仍将使用“最大值”来设计我们的方案。

  考虑30A单相的解决方案。

这次仅采用两个30A的电路不能满足需求，因为我们的每个设备都需要大于24A的电源，因此，我们需要用4个电路来实现全冗余。

1）这可以采用4个30A单相C13的企业级PDU（26K4246/39Y8941+40K9614）。

2）另外一种选择是可以采用4个前端PDU（32P1766/39Y8939）并且每个连接3个企业级PDU（32P1736/39Y8951）。

我们需要总共6个机柜PDU，因为每个机柜PDU只能提供15A的电流。

接下来，我们来看60A单相的解决方案：

1）这可以采用2个C13企业级PDU来解决，这次是60A单相的版本（26K4242/39Y8941+40K9615）。

在这个例子中，这两个企业级PDU上所有可用的插座都被使用了，因此机柜中并没有多少没有使用的电流，所以这不是可选的方案。

2）更好的解决方案是采用2个企业级C19的PDU（26K4256/39Y8948+40K9615）像前端PDU一样连接6个机柜PDU（32P1736/39Y8951）。

这种方法仍然留有以后添加机柜PDU的升级能力。

这个方案和图13中每一侧的连接很相似。

使用60A的前端PDU（32P1767/39Y8940）也可以实现，但是更像方案1中的解决办法，所有的前端PDU的输出插座都被占用，但却仍然有可用的电流。

最后，我们来看60A三相的解决方案：

1）我们也可以采用2个60A三相的C13企业级PDU（26K4144），但是您必须尽快订购这个PDU，因为这种型号的PDU很快将会停产。

两外，就像前面的例子，所有的插座都被占用，但是仍有一些可用的电流没有办法使用。

2）更好的解决方案是采用2个C19的企业级PDU（26K4258/39Y8923）像前端PDU一样连接机柜PDU（32P1736/39Y8951）。

这种方案仍然留有以后添加机柜PDU的升级能力。

  其他的考虑：

  多数情形下，每个种类的选件都用相似的清单价格。

我们需要考虑的其他事情是我们是否会占满机柜侧面的可用空间。

所有上面这些配置都能放入IBM企业级机柜中。

第四章刀片服务器的电源解决方案

  刀片中心中的电源模块只能连接到高压电源上（交流200V-240V之间）。

刀片中心配有两根电源线将刀片中心与供电单元PDU相连接。

刀片中心没有提供对冗余电源的支持。

电源模块必须放在刀片中心的第一和第二个电源槽位上。

增加的电源选件同样包含两个电源模块和两根电缆线。

刀片中心的电源域

  刀片中心的机箱被分成两个电源域。

第一组两个（标配）冗余的电源模块（域1）提供最大电流负载时的功率为2250W直流电源，分别供给吹风机，管理模块，交换模块和第一到第六个刀片服务器。

  第二组两个冗余的电源模块（域2）提供最大电流负载时的功率为2350W的直流电源，供给第7到第十四个刀片服务器。

电源是负载均衡模式工作，并且能提供的负载能力最大为4000W的直流电源。

目前，最大负载功率不会超过这个数字，例如我们以域2为例子，这两个电源输出的最大的电源负载也不会超过2350W，而这样每个电源输出的功率都低于1200W。

  请确定电源连接电缆如图15所示的电源域连接。

为刀片服务器设计电源解决方案

  如果在这一节里面没有获得任何信息：

2个30A的电路给一个满配的刀片服务器供电。

这里有一个给满配的刀片服务器提供稳定电源的例子：

  如同节里面一样，什么样的电源能提供给机柜呢？

1）30A，单相

2）60A，单相

3）60A，三相

  首先，我们考虑第