提高存儲器子系統效率的三種方法

行業(yè)專(zhuān)家認為，對于一個(gè)典型的大型數據中心而言，其50億美元成本的80%左右會(huì )用在設備的機械和電子基礎設施上。

對于數據中心服務(wù)器，高功率密度的原因之一在于存儲器子系統。典型的1U服務(wù)器需要600～1,000W的電源供電。這些用于數據中心的高端服務(wù)器支持16～18個(gè)DRAM插槽。在DDR3(第三代雙倍數據速率)系統上，每一個(gè)插槽都通過(guò)典型的2Gb模塊平均汲取9W功率。存儲器子系統總功率約為144～162W，約占系統可用功率的25%。將該總功率與典型數據中心中40,000～80,000個(gè)服務(wù)器相乘，結果為5～13MW(兆瓦特)，這僅為存儲器子系統的汲取功率。這些功率足以為超過(guò) 13,000個(gè)美國家庭供電。

存儲器協(xié)會(huì )正在推行用三種方法來(lái)提高存儲器子系統的效率。這些方法已經(jīng)在實(shí)驗室環(huán)境中進(jìn)行過(guò)測試，其中一些形式將在不久的將來(lái)推向商業(yè)市場(chǎng)。

第一種省電方法來(lái)自DDR3存儲器子系統架構。DDR3標準的關(guān)鍵在于降低功耗。目前，固態(tài)存儲行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)標準開(kāi)發(fā)者JEDEC(電子設備工程聯(lián)合委員會(huì ))正在著(zhù)手開(kāi)發(fā)兩種省電模式，這兩種模式將專(zhuān)注于如何降低寄存器的功耗以及如何降低RDIMM(暫存式雙列直插內存模塊)模塊的功耗。第一種省電模式是用于DDR3寄存器的CKE(時(shí)鐘使能)斷電模式，這種模式要求寄存器器件在CKE輸入線(xiàn)路處于低電平時(shí)切斷其輸出。當這種模式通過(guò)存儲器控制器使能時(shí)，地址輸出處于三態(tài)，DDR3寄存器將其功耗降低將近60%。第二種省電模式是S3電源管理模式，這種模式允許輸入時(shí)鐘浮動(dòng)。當輸入CK和CK#均保持低電平時(shí)，器件會(huì )停止工作并進(jìn)入低功耗靜態(tài)和待機工作模式。

實(shí)驗室的測量結果顯示，寄存器功耗降低了90%。“時(shí)鐘停止”斷電模式只能在模式激活之前，DRAM接收到自刷新命令時(shí)使用。在這種狀態(tài)下，DRAM忽略除 CKE之外的所有輸入。因此，除了這兩個(gè)信號之外，所有寄存器輸出都能被進(jìn)一步禁用，從而降低了RDIMM模塊的總功耗。但是將存儲器子系統從這兩種模式喚醒所需的時(shí)間有所不同。存儲器子系統從CKE斷電模式開(kāi)始響應只需要三個(gè)時(shí)鐘周期，而從S3電源管理模式開(kāi)始響應只需要幾微秒。需要存儲器控制器和系統管理軟件來(lái)支持這些功能，從而利用這些省電功能。

存儲器協(xié)會(huì )正在研究第二種方法，該方法旨在降低存儲器子系統的電源電壓。這個(gè)選擇方案研究通過(guò)向更小尺寸的半導體工藝轉移來(lái)降低電源電壓。新型1.35VDDR3DRAM正在實(shí)驗室進(jìn)行小批量測試。JEDEC和主要存儲器制造商正瞄準供電電壓為1.5V和1.35V的下一代DDR3DRAM。目前Inphi公司正在致力于為JEDEC組織起草1.35V寄存器標準。Inphi還在領(lǐng)頭開(kāi)發(fā)首個(gè)可量產(chǎn)的 1.35VDDR3寄存器，可與1.5V寄存器向后兼容。選定的低壓DRAM已在一些OEM工廠(chǎng)進(jìn)行了初步測試，以便在1.35V下運行存儲器子系統。早期數據顯示，總功耗降低了16%左右，并且沒(méi)有明顯的性能下降。正在進(jìn)行更多測試，進(jìn)一步采用未來(lái)的技術(shù)降低工作電壓的研究也正在進(jìn)行。

第三種省電方法是降低驅動(dòng)器的輸出擺幅電壓電平。在DDR3RDIMM標準中，DIMM上的命令和地址信號被端接到Vtt(相當于負載電阻為22Ω時(shí) Vdd/2)。DRAM可接受的最小輸入電平為±175mV(在Vtt附近)。為實(shí)現可靠的工作，設計工程師對RawCardA這樣的較低密度卡也提供了三至四倍于該值的輸入電平。將800mV的輸出擺幅降低至400mV，可以每通道節省20mA左右。按每個(gè)DIMM41個(gè)通道，每個(gè)系統18個(gè)DIMM計算，每個(gè)系統就可能節省22W，僅一個(gè)典型的數據中心即可節省2MW左右!

應對數據中心面臨的能源挑戰需要研究省電解決方案，即使通過(guò)采用效率更高的省電模式降低電源電壓和開(kāi)關(guān)電壓，存儲器子系統也還是服務(wù)器系統中最大的能耗對象之一。