ארכיטקטורות של הספק המוגדר בתוכנה (software-defined power) יכולות לספק רווחים משמעותיים ביעילות ובזמן פעולה תקינה עבור מרכזי נתונים ותשתיות רשת. למאמצים המקדימים יש הזדמנות לזכות ביתרון של שחקן בכורה.
איור 1. האינטרנט של כל דבר חודר בכמעט כל סוג של יישום, ומוביל אל עתיד בעל טריליונים של חיישנים, כאשר כולם אוספים, חולקים ומנתחים נתונים
מבוא: תשתית תחת לחץ
אורח החיים ונהלי העבודה המודרניים תלויים במידה גוברת באכסון, גישה, עיבוד וחלוקה של נתונים. באמצעות ההתקנים הדיגיטליים החכמים שלנו, אנחנו יכולים ליצור תוכן כרצוננו, ולפרסם אותו מיידית דרך האינטרנט. העסקים החדישים, כמובן, הם לקוחות ענקיים של נתונים בזמן-אמת, כמו גם מוסדות הממשל האחראיים על שמירת הביטחון ושיפור הספקת השירותים לציבור. תעבורת מרכזי הנתונים עתידה לעבור את ה-8.6 Zettabytes ב-2018 על-פי נתונים של Cisco, ותעבורת הנתונים הניידים עולה אף מהר יותר מאשר ה-IP הקבוע. המעבר ל-5G עוד יאיץ מגמה זו. התלות שלנו בנתונים אמורה לגדול עוד יותר, בשעה שה-Internet of Things הופך לאינטרנט של כל דבר, והיבטים נוספים של החיים – כולל הניידות שלנו – הופכים ליותר ויותר מנוהלים אלקטרונית. מכוניות עצמאיות יגרמו לביקוש ללא תקדים של איסוף, ניתוח ואכסון נתונים, במיוחד כאשר מכוניות וחיישני כבישים רבים ינטרו את אותם האירועים מהיבטים שונים. אנחנו יכולים לחזות עתיד המכיל טריליונים של חיישנים, תוך איסוף והעברה מתמידים של נתונים. יתר על כן, צרכנים חסרי סבלנות ושירותים בזמן-אמת כגון נהיגה חכמה ידרשו תגובות מידיות, תוך הגברת הלחץ על התשתית אף יותר.
חברות רבות מתאמצות לעקוב אחר הביקוש הגובר ללא הפסק של שליטה, עיבוד ואכסון נתונים, ובאותו הזמן פועלות כדי לפקח על עלויות התפעול. גרוע מזה, ההסתמכות הגוברת שלנו על שירותי נתונים בכל היבטי החיים פירושה שההשפעות של כל חוסר הן יותר ויותר רציניות. הרשתות ומרכזי הנתונים המקיימים את החיים המודרניים בכל העולם חייבים לשמור בהחלט על האמינות הטובה ביותר ולהבטיח זמן פעולה תקינה מרבי. ראוי גם לציין שלא כל המספרים העצומים של חיישנים הצפויים על-ידי החזאים ישמשו לשיפור סגנון החיים שהוא כבר נוח למדי; אירועים נתמכים על-ידי תעשיות כגון ה-TSensors Summit חזו טריליונים רבים של חיישני רשת שישמשו למלחמה נגד המחסור במזון, אנרגיה, מים, בריאות וחינוך באזורים הזנוחים ביותר בעולם.
איור 2. ה-PMBus בעל התקן הפתוח מספק תווך אידיאלי לשם חיבור ממירים בארכיטקטורת הספק מוגדרת בתוכנה
הדרישה להספק
שמירה על מחשבים המוזנים באנרגיה מהווה את עלות התפעול המשמעותית ביותר עבור ספקי שירות-נתונים. מפעילי מרכזי נתונים יודעים שעולה יותר לספק שרת במשך חייו האופייניים של שלוש שנים מאשר לרכוש את החומרה ישירות. בנוסף, עלות האמצעים דוגמת מיזוג האוויר כדי לשמור על טמפרטורות הפעולה המומלצות תורמת לחלק המשמעותי של עלויות התפעול. המפעילים מבקשים לשמור על עלויות אלה בפעולות המתנהלות באזורים קרים יותר כגון סקנדינביה וצפון-מערב ארה”ב בעזרת מקורות מקומיים של אנרגיה זולה ואמינה כגון גנראטורים הידרו-חשמליים.
האופי המקושר-תמיד של החיים המודרניים מבטיח שהדרישות המועלות על תשתית הנתונים הן דינמיות ביותר. לדוגמה, ערוצים חברתיים יכולים להגיב מיידית למאורעות עולמיים המתרחשים בזמן-אמת כגון אסונות טבע או משברים פוליטיים, או אף אירועים ספורטיביים, ולגרום לעליות משמעותיות בנפחי התעבורה. התשתית צריכה להיות מסוגלת לפעול ביעילות מיטבית בכל התנאים, ולטפל במעברים מהירים מפעילות מזערית למרבית מבלי לסכן את זמינות השירות. ניהול הספק מסתגל חיוני כדי לענות לצרכים המתקדמים של הנתונים העולמיים.
המעבר להספק מוגדר בתוכנה
ארכיטקטים של מרכזי נתונים השתמשו בהצלחה בוירטואליזציה כדי להגדיל את השימוש בשרתים, והם עוזרים בכך להקטין הן את עלויות המימון והן את עלות הזנת שרתים מושבתים. בעזרת הוירטואליזציה, ארכיטקטורת המחשוב הפכה למוגדרת בתוכנה. באותו הזמן, תכנון ספקי הכוח רשם התקדמות.
מפעילים רבים של מרכזי נתונים ותשתיות רשת נמצאים בתהליך של מעבר מטכנולוגיה אנלוגית יחסית בלתי-גמישה אל הספק דיגיטלי, המתאים יותר לשם הבטחת יעילות מרבית. אולם קיימת עדיין נטייה להציג ממירים דיגיטליים באותה הדרך כמו הקודמים האנלוגיים שלהם. דבר זה מסתכן בניצול של רק חלק מהיכולת שהממירים הדיגיטליים מציעים כדי להעלות את היעילות ולצמצם את עלויות התפעול. הצעד הלוגי הבא הוא שארכיטקטורת ההספק תהיה מוגדרת בתוכנה, תנצל את כושר ההתאמה של ההספק הדיגיטלי ותנהיג בקרת תוכנה כדי לנהל את ספק הכוח ברציפות בשעה שתנאי התפעול משתנים.
לארכיטקטורת הספק מוגדרת בתוכנה יש יתרונות פוטנציאליים עבור מתכננים ומפתחים של ספקי כוח. היכולת להתאים תכנונים ברמת התוכנה מבטיחה לבטל סיכוני תכנון-חומרה ולאפשר השלמת פרויקטים מהירה יותר בעתיד. למרבה המזל, המעבר מארכיטקטורות הספק אנלוגיות להספקת הספק מוגדר בתוכנה ניתן למימוש במהירות ובקלות ללא הצורך לפתח יכולות חדשות או לתכנן IP. באופן מעשי, ארכיטקטורות הספק מוגדרות בתוכנה יוכלו להתגבר על רבים מהאתגרים המוצבים כעת בפני מתכננים ומפעילים של מרכזי נתונים. ארכיטקטורות של הספק דיגיטלי כבר מאפשרות כוונון עדין של מתחי מוצא של אפיקים ונקודות-עומס כדי לייטב את יעילות התפעול תוך הבאה בחשבון של ההבדלים הקטנים הקיימים בין כרטיסים נפרדים בשל שינויים בתהליך המוליכים-למחצה. ניתן גם לקזז השפעות שינויי הטמפרטורה. הפעלת סוג זה של התאמה על בקרת התוכנה עשויה לגרום לשיפור ניכר ביעילות הכוללת. אולם זהו רק היבט אחד של השיפורים האפשריים. ארכיטקטורת הספק מוגדרת בתוכנה עשויה לגרום הלאה לשבחי יעילות משמעותיים ולסייע לשיפור גורמי ביצועים אחרים כגון אמינות וזמן להפעלה, לדוגמה על-ידי הקטנת המאמץ על ספקי הכוח בעת של דרישה נמוכה ומתן תחזוקה מונעת. יתר על כן, ארכיטקטורת ההספק המוגדר בתוכנה עשויה להתאים בנקל למילוי הדרישות על-ידי הפעלה או השבתה של ספקי-כוח, ויכולה לכוון מתי מערכת ליעילות מרבית.
איור 3. ה-AMP Group נוסד כדי לשתף פעולה ולפתח פתרונות רבי-מקור במיוחד עבור יישומי הספק מוגדר בתוכנה
כיום מעבדים משתמשים ב-Adaptive Voltage Scaling לשם התאמה של דרישות ההספק בצורה עצמאית בהתאם לעומס העיבוד המופעל. בשעה של עומס נמוך, ניתן להקטין הן את מתח ההספקה והן את תדר הפעולה למינימום הדרוש כדי לבצע את המשימות הדרושות. תמיכה עבור ה-™Adaptive Voltage Scaling Bus מובנית בתוך גרסת התקן 1.3 האחרונה של ה-™PMBus, הפרוטוקול בעל תקן פתוח של תקשורת בין התקני ההספק. תמיכה ב-AVSBus מאפשרת למעבדים להתאים את מתחי המוצא POL המתאימים בצורה עצמאית, ומאפשרת בכך “חץ ברעד” אחר בנוסף לפקודות ה-PMBus הזמינות קודם לכן.
התאמה אוטומטית של ארכיטקטורת ההספק כדי להבטיח יעילות תפעול מיטבית בתנאים משתנים לא רק מסייעת למזעור הפסדי המרת האנרגיה בספק הכוח אלא גם ממזערת את הדרישה לקירור ולכן את האנרגיה הנצרכת על-ידי מערכות קירור פעילות כגון מאווררי מגש ומיזוג אוויר באולם השרתים. בנוסף לחיסכון באנרגיה, הקטנת הדרישה לקירור מאפשרת להקדיש יותר נדל”ן להתקנת שרתים, מתגים או כרטיסי-קו. באותו הזמן, ארכיטקטורת ההספק המוגדרת בתוכנה נהנית מאמינות מוגברת. התאמה רציפה של המערכת כדי לקבל יעילות מיטבית ולמזער את הפקת החום מקטינה את המאמץ המופעל על Intermediate Bus Converters ו-Point-of-Load (POL) Converters. בסופו של דבר, דבר זה ממזער את זמן ההשבתה של הציוד בגין תקלות בספק הכוח.
הספק מוגדר בתוכנה למעשה
קישוריות מספקת את הזרז לשם הפיכת ממירי הספק מאיים מבודדים לאלמנטים של מערכת מותאמת המסוגלת לענות לפקודות של בקר מרכזי בלב ארכיטקטורת הספק מוגדרת בתוכנה. ה-PMBus בעל התקן הפתוח הוא תווך אידיאלי. ספקי כוח ac-dc חזיתי תואם PMBus, POLs ו-IBCs דיגיטליים נמצאים כבר בשוק, ומספקים אמצעים קריטיים עבור משווקי ספקי הכוח להתחיל לבנות ארכיטקטורות מוגדרות בתוכנה עבור הלקוחות.
הספק מוגדר בתוכנה זוכה לקבלה מהירה ביישומי הספקת הספק בעל ערך מוסף. במערכות אלו המאפיינים של הספק דיגיטלי כבר מספקים יתרונות כלכליים, הן עבור מוסדות תכנון והן עבור לקוחות. אולם, צוותי התכנון זקוקים לזמן כדי ליצור דגמים ולפתח אלגוריתמים שינצלו את ה”כוח” של הספקת הספק מודגר בתוכנה. אחדים יכולים לממש בקרת תוכנה ראשית ברמת הכרטיס ולהעביר את שלבי ההמרה של הכונן וההספק הגבוה אל ארכיטקטורה המוגדרת בתוכנה בשלב מאוחר יותר. מאידך, אחדים יכולים להתחיל בשלב ההספק הגבוה ולקדם את בקרת התוכנה אל רמות הכונן והכרטיס. בנוסף, אלגוריתמי בקרה מוקדמים עשויים להיות יחסית פשוטים, להסתפק במספר קטן של פרמטרים ולהפוך למורכבים יותר במהלך הזמן על-ידי ניתוח של ערכות נתונים גדולות יותר בצורה מפורטת יותר.
בעזרת בקיאות מוגברת ורפרטואר עולה של תכנונים מוכחים בהם ניתן להשתמש מחדש במהירות וביעילות בפרויקטים עתידיים, המתכננים של מחר יהיו מסוגלים לספק פרויקטים חדשים במהירות ולמקד את תשומת ליבם בפיתוח תכונות בעלות ערך מוסף גבוה יותר. אלה יכולות לכלול תחזוקה מונעת, העשויה לסייע בשיפור מידות ביצועים חשובות כגון זמן פעולה תקינה, תוך יצירה, באותו הזמן, של היתרונות של עלויות מימון נמוכות יותר באמצעות הפחתת קצבי ההחלפה של הציוד.
CUI מימשה את קישוריות ה-PMBus בספקי כוח AC-DC חזיתיים דוגמת ה-PSE-3000 בעל 3 קילו-ואט ומשפחות ה-®Novum של IBCs דיגיטליים וממירי POL dc-dc דיגיטליים לא-מבודדים. היכולת לתקשר עם הממירים תוך שימוש בפרוטוקול בעל תקן תעשייתי מאפשרת למתכננים לבנות ארכיטקטורות הספק מקושרות, בעלות בקרה דיגיטלית.
ה-IBCs זמינים בממדי לבנה שונים ותומכים ב-Dynamic Bus Voltage , המאפשר כוונון של מתח ה-IBC כדי לייטב את יעילות ההמרה בשעה שתנאי העומס משתנים. ניתן לכוון את המתח דרך אפיק ה-PMBus או על ידי ייטוב הספק הקושחה הממוקמת במיקרו-בקר מבוסס ®ARM משולב ב-IBCs. DBV ברמת ה-IBC, כמו גם AVS בנקודת העומס, הוא יעיל ביותר במירוב היעילות על-ידי התאמת מעטפת ההספק כדי להתאים לתנאי העומס תוך כדי מזעור של האנרגיה המבוזבזת. בנוסף לקביעת מתח ה-IBC, ממשק ה-PMBus מאפשר גם בקרה מרכזית של גבולות המתח, ניהול כשלים, בניה של השהיה מדויקת והתחלה/הפסקה.
ממירי ה-POL של Novum מאפשרים לפקודות ה-PMBus לבקר היבטים דומים כמו במודולי ה-IBC ומאפשרים גם בקרת תוכנה של תזמון ועקיבה של המתח. כדי לתת מושג על חסכונות ברמת האנרגיה האפשריים על-ידי אימוץ אוטומטי של ארכיטקטורת ההספק, חשוב נא על השילוב של חזית ספק כוח AC/DC בעל יעילות ממוצעת של 95%, IBC הפועל ב-93%, ו-POL הפועל ב-88%. מתוך שלושת הממירים, 22.2% מהספק המבוא מפוזר בתור חום. אם ניתן היה להגדיל את יעילות כל שלב ב-1% בלבד, הפסד האנרגיה היה מצטמצם ל-19.6%. זהו שיפור של 12%, שהוא חיסכון משמעותי. יתר על כן, הצמצום בתפקוד הקירור יוצר חסכונות באנרגיה נוספות.
העתיד
בשעה שארכיטקטורות ההספק המוגדר בתוכנה הופכות למקובלות במרכזי נתונים ומשרדי תקשורת, התעשייה תצטרך להסתמך על פעולה הדדית בין מודולי ההספק של משווקים שונים. אם כי ה-PMBus מתקנן את קישוריות בין המודולים במידת-מה, פקודות אחדות הן פתוחות לפירושים ועשויות ליצור תוצאות שונות כאשר משתמשים בהן עם ממירים של יצרנים שונים. כדי להתגבר על קושי זה, ה-AMP Group™ (Architects of Modern Power) המורכב מ-CUI, Ericsson Power Modules ו-Murata התאחדו כדי לתקנן היבטי תוכנה הכוללים היענות לפקודות PMBus, בנוסף לפרטים מכניים כגון גורמי הצורה ותצורת הפינים.
סיכום
ארכיטקטורת ההספק המוגדר בתוכנה מציעה את שיפורי היעילות והחסכונות לא רק במהלך שלב התכנון אלא גם בעלויות התפעול שבעלי התשתית זקוקים. יתרונות נוספים כוללים אמינות משופרת והיכולת לממש תחזוקה חזויה, הגורמת לזמן תקינות מוגדל. המעבר מארכיטקטורות מבוססות-אנלוגי למוגדרות בתוכנה מתרחש במהירות. בשעה שצוותי התכנון של ספקי-כוח צוברים בקיאות בטכנולוגיה חדשה זו, הם יוכלו לספק מערכות מתוחכמות, יעילות ואמינות יותר במהירות וביעילות.
