ATCA：绿色节能的未来趋势

摘要：ATCA为迅速发展的ICT产业提供了一套高性能、低成本和低功耗的节能减排解决方案。ATCA机箱本身的热设计具有优秀的散热功能，结合CP-TA的标准热测试与数值分析软件的热仿真，必将以最优化的结构成为未来发展
关键词：先进的通信计算机架构；节能；最优化；趋势

1 ICT节能减排背景介绍
    随着我国电信事业的飞速发展和通信网络规模的不断扩大，电信企业的能源消耗也在迅速增加。目前，ICT(信息与通信技术)产业的CO2排放量虽然只占全球所有行业碳排放量的2％，但增长迅速，以现在每年约4％的速度递增，预计2020年将达到1．43Gt。在中国，这样的趋势同样存在，如图1所示。因此，ICT节能减排已是国家中长期战略目标，在“十二五”规划中也明确提出了ICT节能减排的要求与指标。

    在ICT能源消耗中，50％以上来自于服务器与数据中心机房。在有限的空间内，在减少能耗、提高能源利用率的前提下，高能效、低成本的机房架构必将成为未来发展的趋势。ATCA以开放性等诸多优势，能在节能减排上达到极好的性能。

2 ATCA标准介绍
    ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture，先进的通信计算机架构)是由PICMG(PCI Industrial Computers Manufactures Gro up，PCI工业计算机制造组织)于2001年开始制定的，目的是为下一代融合通信及数据网络应用提供一个高性价比、基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件架构，同时以模块结构的形式出现，以支持符合现代传输要求的科技或应用。ATCA是一种全开放、可互操作的电信工业标准，可以满足数据处理服务器的各种应用需求。
    ATCA标准由核心规范PICMG3．0和一系列辅助规范PICMG3．X组成。核心规范定义了ATCA系列规范中的机械设计、系统管理、电源分布、散热、背板互连等部分；辅助规范内容则定义了在核心规范中互连的传输方式。实质上，核心规范定义了板对板通信的点对点连接，而辅助规范定义了这些点对点连接的协议＼规范。PICMG3.X包括的四个辅助协议已经被确认通过，它们是：PICMG3．1 Ethernet和FC；PICMG3．2 InfiniBand；PICMG3．3 StarFabric；
    PICMG3．4 PCI Express；PICMG3．5高级结构互连／串行高速I／O传输(正在制定中)。

    通常所说的ATCA一般是指PICMG3．X系列规范，广义的ATCA包括PICMG组织制定的ATCA＼ATCA300以及MicroTCA＼AMC等标准规范。相关的标准族如图2所示。

3 ATCA的节能优势
    在PICMG 3．X规范定义下，ATCA在外形设计(机箱)上确保了更大的空间，同时提供了冗余风扇设计，以增强散热系统的功能。这些基础设计有效地确保了设备系统获得电信级的稳定性，不会因为散热不足或设备过热而导致宕机。
    基于ATCA架构的产品有较好的散热性能，这使得采用ATCA架构的产品能够采用更高计算速率的CPU，使得在同等条件下，采用ATCA架构的产品可以拥有更快的计算速度、更强的兼容性、更低的成本以及更为灵活和快速的业务部署能力。
    并且，ATCA技术的刀片服务器产品的功耗只有普通刀片服务器的10％，这对于数据中心尤其是超大规模数据中心来说意义巨大，可以为数据中心缓解其最为迫切的供电问题。

4 CP-TA标准热测试与结构优化设计
    由于其良好的机箱散热功能，使得ATCA服务器在同等条件下能集中更多的发热芯片，从而在绝对值上，产品具有较高的能耗。此外，优良的散热性能也容易引起过度消费的问题。因此，需要相关的验证平台对其热性能作标准化的验证。通信平台贸易联盟(CP-TA)是由通信平台和组件供应商组成的全球性组织，旨在通过互操作性认证来加速部署由SIG管理的、基于开放性规范的通信平台。在CP-TA热测试标准中，已经对板卡和机箱的热测试作了详细规定。这使得标准化的测试设备、测试流程和测试结果衡量方法成为可能。
4．1 CP-TA热测试
    对ATCA产品散热性能的验证与分析包括板卡级与机架级。
    对于普通的板卡级热试验，其主要的测试指标为板卡风阻。风阻是板卡的固有性质，与板卡结构和形状有关，不受环境影响，它反映的是板卡对固定风流的阻档能力，即对机柜散热的影响。风阻越大，机柜散热效果受到的影响越大，散热越差。对于ATCA标准板卡，使用标准化风洞设备创造恒稳的、风速可控的环境风流，利用设备自带的风压传感器和风速信息，计算得到板卡风阻值，其计算方法如下：
    风阻=风压／风速
    图3是风阻测量装置搭建方案，将待测板卡插入风洞，风洞通过数据线与计算机相联，开启风洞即可输出相关数据。

    (注： Pressure Sensor：风压传感器；Airflow Sensor：风速传感器；Airflow Q：风量；Q-P curve of a board：风量-风压曲线；Airflow／Pressure Sensor and Tunnel Controller：风速／风压传感器及信号处理系统)
    一款经过良好热设计的板卡，可以在不影响性能的前提下，有效地减少自身风阻，从而有利于机箱整体的散热环境。
    机架级热测试技术包括对ATCA机架的风速和风温热测试。风速和风温信息反映机箱的送风和散热能力，它与机箱风扇型号、规格、排放位置、风速情况、以及机箱本身的物理结构设计有关。利用标准的测试板卡创造一个标准化的测试环境，可以得到不同型号机箱的风速／风温值，从而对它们的散热能力进行比较。其过程是将定制的标准参照板和带有传感器的测试板插入机箱，模拟一排服务器插入机箱的情况。从连在测试板上的传感器中能得到被测槽位的风速信息。然后将每个槽位的信息综合比较得到风速的整体分布。图5为风速／风温测量装置搭建方案。

    在设备更换可更换单元，部分风扇失效的情况下，仍可进行上述测试，并与CP-TA标准进行比对。
    目前，由于ATCA设备具有标准化的特点，便于使用标准化测试设备(如DegreeC Blade Profiler和Chassis Scan)对其进行实验。然而这些实验设备尚不支持非ATCA标准板卡和机箱的热测试。即便有企业使用其它的风阻／温度传感和记录设备或风洞设备对非ATCA标准的板卡与机箱进行测量，其结果也没有相关的标准来衡量，因而缺乏可靠性与可信度。就这点来说，ATCA标准设备在节能热测试与定性衡量方面本身具有很大的优势，对于非ATCA设备的节能热测试也亟需相关的规范化测量设备与标准。
4．2 结构热优化设计
    在产品投入制造过程之前，以及在标准CP-TA验证测试过程完成后，都有必要对板卡和机箱的结构进行热优化。
    热优化技术包括对板卡本身的热模拟，以及对机箱和其中气流组织环境的固一流耦合模拟。其过程主要包括：几何模型建立、力学模型建立、物理性质规定、初始加载条件和边界条件规定、全过程加载条件规定、数值运算公式选择和后处理几个步骤。
    通过实验测量为计算提供必要参数，如板卡尺寸、物理材质、指定区域热性能参数等，通过数值计算得到实验无法测知的信息，如全空间的热传递情况、气流通路以及改进设计方法。其实验与计算结果应互为验证，从而得到最为优化的设计方案。

5 前景展望
    尽管ATCA在性能方面优势显著，但它同时也有一些有待提升和改良的部分。特别是在节能减排上，由于ATCA技术本身是定义为电信级运营服务的，尽管有良好的散热系统，但是每个插槽的功耗却接近200W，而其对外的各接口(电口和光口等)也时刻保持着备用接入，其能耗相当高。这里设想，对于其遍布机架各部分的传感器，能否实现自适应的识别到是否在端口加载其他设备，来智能地控制端口的使用，以减少相当的空载能耗，将会是未来ATCA绿色节能领域的一个重要的研究方向。此外，如何更为有效地降低电源功耗，一直是高端产品研发中的关键问题。特别是随着整个社会都在积极倡导节能，基于ATCA的最大优势在于，它能够通过有效的关键点分布设计原则，在实现整机供电充分的前提下，将功耗保持在最佳策略，使得采用ATCA架构的高端产品比其他架构的、同档次的产品，拥有更低的功耗。