»Intelligentes« Kühlsystem Lüfter-IC senkt Energiekosten

Rechenzentren benötigen gewaltige Mengen an Energie, in den USA zum Beispiel verbrauchen sie etwa 1,5 Prozent des gesamten Stroms - Tendenz steigend. Der effizientere Umgang mit der vorhandenen Energie ist also unabdingbar. Ein Weg dorthin sind energieeffizientere Kühlsysteme, beispielsweise mithilfe eines »intelligenten« Lüftermanagements.

Bei Rechenzentren ist der Energieverbrauch in den vergangenen Jahren ständig gestiegen. Grund dafür war der auf breiter Front steigende Bedarf an Rechenleistung. Zugleich sind im Zeitraum von 2002 bis 2006 die Stromkosten weltweit um 56 Prozent gestiegen, und ein Ende des Preisanstiegs ist noch nicht in Sicht. Nach einer Schätzung der EPA (US Environmental Protection Agency) entfielen im Jahr 2006 1,5 Prozent des gesamten Stromverbrauchs der USA auf Rechenzentren.

Bis zum Jahr 2011 soll sich der Bedarf fast verdoppeln, mit der Folge, dass zehn zusätzliche Kraftwerke benötigt werden. Der hohe Energieverbrauch von Rechenzentren und die damit einhergehenden hohen Stromkosten lassen sich dadurch verringern, dass man die Energieeffizienz verbessert. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen - durch energieeffizientere Server und/oder energieeffizientere Kühlsysteme.

Im Folgenden soll es ausschließlich um Letztere gehen. Etwa 37 Prozent bis 45 Prozent des Stromverbrauchs in einem Rechenzentrum entfallen auf die Kühlung der Elektronik, davon typischerweise 15 Prozent auf den Kühllufttransport durch Lüfter. Ein Großteil der Ausrüstung von Rechenzentren arbeitet mit einem simplen Temperaturmanagement und vergeudet dadurch Energie. Kühlventilatoren laufen oft bei wesentlich höheren Geschwindigkeiten, als notwendig wäre. Dafür gibt es mehrere Gründe, beispielsweise eine zu geringe Anzahl von Temperaturmesspunkten, ungenaue Temperaturmessung oder schlecht arbeitende Drehzahlregelung.

Weil der Stromverbrauch eines Lüfters etwa mit dem Quadrat seiner Drehzahl ansteigt, lässt sich der Stromverbrauch durch Verringern der Drehzahl um nur 30 Prozent quasi halbieren. Außerdem erzeugt ein unnötig schnell laufender Lüfter selbst Wärme, die auch wieder abzuführen ist und die Kosten für die Kühlung in die Höhe treibt. Daher kann der Betreiber eines Rechenzentrums durch Verringern der Lüfterdrehzahl signifikante Kosteneinsparungen erzielen und zugleich die Umweltbilanz seines Rechenzentrums verbessern.

Ein Sensor für alle Lüfter

Bei einem typischen, minimalistischen Temperaturmanagementsystem für Geräte mit mehreren Lüftern werden die Lüfter durch eine gemeinsame, pulsmodulierte Spannung gespeist, wobei das Tastverhältnis der Lüfterbetriebsspannung in der Weise geregelt wird, dass die überwachte Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Maximaltemperatur bleibt (Bild 1). Die Messung der Temperatur erfolgt an einem einzigen, kritischen Punkt - nämlich dort, wo die höchsten Temperaturen zu erwarten sind.

Eine solche Konfiguration ist typisch für Geräte wie Server oder Netzwerk-Switches/Router. Da bei diesem minimalistischen System alle Lüfter so schnell laufen, wie es nötig ist, um die Temperatur an der wärmsten Stelle unter dem Maximum zu halten, laufen diejenigen Lüfter, die zur Kühlung von weniger warmen Systemkomponenten dienen, unnötig schnell und vergeuden dadurch Energie.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Drehzahlen der einzelnen Lüfter trotz der gemeinsamen Betriebsspannung geringfügig voneinander abweichen können; dadurch können nervtötende Schwebungstöne entstehen.

Um die Energieeffizienz der Lüfterregelung zu verbessern, muss man die Temperaturen an allen kritischen Stellen separat überwachen; das gilt insbesondere für die Temperatur großer ICs wie CPUs und ASICs, die oftmals Temperatursensordioden enthalten. Der Systementwickler muss die Lüfter sorgfältig platzieren und präzise regeln, um mit niedrigstmöglicher Lüfterdrehzahl sicherzustellen, dass an keiner Stelle die zulässige Maximaltemperatur überschritten wird. Hierzu müssen die einzelnen Lüfter individuell geregelt werden. Ein solches Konzept spart Strom, weil jeder Lüfter nur so schnell läuft, wie er muss, um »seine« Zone zu kühlen.

Sechs Lüfter unterschiedlich ansteuern

In der Vergangenheit erforderten solche Regelschaltungen zahlreiche diskrete Bauelemente. Sie waren dadurch komplex, und sie zu implementieren war recht kostspielig. Mit der neuesten Generation von Systemmanagement-ICs wie zum Beispiel dem System-Management-Mikrocontroller »MAX31782« von Maxim soll sich das ändern. Hier kann der Systementwickler auf eine C-programmierbare Komplettlösung einschließlich Hardware-Unterstützung für bis zu sechs Lüfter-Regelungskanäle zurückgreifen. Der MAX31782 misst Spannungen oder Temperaturen mithilfe eines integrierten sechskanaligen, 12 Bit breiten A/D-Wandlers mit einer Genauigkeit von 1%.

Der Chip enthält außerdem ein analoges Front-End für den direkten Anschluss von Temperatursensordioden, das eine Auflösung von 0,125 K bietet und den Serienwiderstand der gesamten externen Diodenschaltung kompensiert. Alternativ lassen sich die A/D-Kanäle zur Messung anderer analoger Größen verwenden, beispielsweise zur Überwachung der Betriebsspannungen. Jeder A/D-Kanal bietet zwei Eingangsspannungsbereiche zur Wahl: 1,225 V und 5,5 V. Weiterhin enthält der Chip zwei I2C-Schnittstellen. Eine davon ist als Slave konfiguriert und dient in erster Linie als Kommunikationsverbindung zu einem Host-Mikroprozessor.

Die zweite Schnittstelle kann als Master betrieben werden, sodass sich das System um eine nahezu unbegrenzte Anzahl zusätzlicher externer Temperatursensoren oder sonstiger Slave-Geräte erweitern lässt. Der MAX31782 basiert auf dem von Maxim entwickelten 16-Bit-RISC-Mikrocontroller-Core »MAXQ« und bietet adäquaten Speicherplatz für Programme und Daten (32 KWorte reprogrammierbarer Flash-Speicher plus 1 KWort RAM zur Datenspeicherung).

Die Programmierung in C unterstützt IARs »Embedded Workbench for MAXQ«. Von dieser Software sind eine zeitbegrenzte und eine Code-begrenzte Testversion verfügbar. Dieses Tool unterstützt auch In-Circuit-Flash-Programmierung und Code-Debugging über den integrierten JTAG-kompatiblen Debugging-Anschluss des Bausteins. Zum MAX31782 ist ein Evaluation-Kit verfügbar, das ein funktionierendes Referenzdesign für Temperaturmessung und Lüftersteuerung umfasst. Die Firmware-Steuerung erfolgt über eine PC-basierte grafische Benutzerschnittstelle. Das Evaluation-Kit enthält auch eine Testversion von IARs Embedded Workbench, damit der Entwickler sofort mit der Code-Entwicklung beginnen kann. Alle diese Ressourcen sollen die Entwicklung kundenspezifischer Systemmanagementlösungen in einer hochsprachlichen Programmierumgebung vereinfachen.

Vorteile einer niedrigen Drehzahl

Bild 2 zeigt ein hoch entwickeltes Temperaturmanagement-System auf der Basis des MAX31782. An die Schaltung können bis zu sechs externe Temperatursensordioden direkt angeschlossen werden, die beispielsweise in CPUs, FPGAs, ASICs oder andere ICs mit starker Wärmeentwicklung integriert sein können.

Auf der Basis der von den Sensoren gelieferten Temperaturinformationen können bis zu sechs Lüfter gesteuert werden. Für jeden Lüfter sind je ein separater 16-Bit-PWM-Ausgang und ein Timer/Tachometer-Eingang verfügbar.

Der Chip unterstützt demnach ein vollständiges Regelungssystem für mehrere Lüfter, das eine exakte Zonenlüftung bei minimalem Energieverbrauch ermöglicht.

Weitere Vorteile dieses Konzepts bestehen darin, dass weniger Staub angesaugt wird und die Lüfter weniger schnell verschleißen. Das kommt der Zuverlässigkeit zugute. Zudem verringert sich das Störgeräusch der Lüfter, weil sie langsamer drehen.

Die 6-Kanal-Regelung ermöglicht es außerdem, die Lüfterdrehzahlen so aufeinander abzustimmen, dass keine Schwebungstöne entstehen.

Über den Autor:

Don Folkes ist Strategic Business Manager bei Maxim Integrated Products