Устройство хранения данных

Полезная модель относится к области систем хранения данных и, в частности, к области многопротокольных устройств хранения данных, поддерживающих файловые и блочные протоколы доступа и может быть использована для увеличения объема записи и надежного хранения, а также для повышения эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA.
Известно многопротокольное устройство хранения данных, реализующее интегрированную поддержку файловых и блочных протоколов доступа (патент РФ №2302034). Система хранения данных представляет собой компьютер с функционирующей на нем службой хранения информации, в основе которой лежит организация информации на перезаписываемых постоянных запоминающих устройствах, например, блоках памяти, лентах или дисках. Система хранения данных, как правило, устанавливается в среде сети хранения данных (storage area network, SAN) или среде накопителя, подключенного к сети (network attached storage, NAS). Система хранения данных (СХД), используемая в среде NAS, может быть реализована в виде файлового сервера, имеющего операционную систему, которая, в свою очередь, поддерживает файловую систему, посредством которой осуществляется логическая организация информации в виде иерархической структуры каталогов и файлов (например, на дисках). Каждый "дисковый" файл может представлять собой набор структур данных, например, блоков на диске, сконфигурированных для целей хранения информации, например, собственно данных файла. В свою очередь, каталог может представлять собой файл специального формата, в котором хранится информация о других файлах и каталогах.
Известна также система внешнего хранения данных (патент №2383952).
В общем случае СХД состоит из жестких дисков (HDD), контроллера ввода/вывода и объединяющей системы. Диски, как правило, поддерживают "горячую замену", то есть их можно подключать и отключать "на лету", без выключения накопителя. Это дает возможность заменить вышедший из строя винчестер без каких-либо неприятностей для пользователя. Основной и резервный блоки питания накопителя имеют повышенную надежность и также допускают "горячую замену".
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в патенте на полезную модель №182176 - прототип.
Данная система хранения данных содержит контроллер, N HDD, соединенные входами/выходами с контроллером, кластер 1U серверов с FPGA в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии, центрального процессора (CPU), первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, третий вход/выход соединен с первым входом/выходом контроллера, программируемая логическая интегральная схема FPGA, первый вход/выход которой соединен со вторым входом/выходом центрального процессора; коммутатор, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом контроллера, третий вход/выход - с первым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, а первый вход/выход является входом/выходом всего устройства
Цель полезной модели - повышение эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство хранения данных, содержащее контроллер, N HDD, соединенные входами/выходами с контроллером, кластер 1U серверов с FPGA в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии, центрального процессора (CPU), первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, третий вход/выход соединен с первым входом/выходом контроллера, программируемая логическая интегральная схема FPGA, первый вход/выход которой соединен со вторым входом/выходом центрального процессора; коммутатор, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом контроллера, третий вход/выход - с первым входом/выходом сетевого адаптера с поддержкой компрессии, а первый вход/выход является входом/выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены тепловые трубки, первая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения CPU, вторая подложка из окиси алюминия с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками и используемая в качестве основания радиатора для охлаждения программируемой логической интегральной схемы FPGA, резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа, помещенная в резервуар с охлаждающей жидкостью; выход помпы соединен с входом тепловых трубок, а выход тепловых трубок - с входом резервуара с охлаждающей жидкостью.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задаче экономии пространства в хранилище за счет компрессии входящих данных. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показана общая блок-схема предлагаемого устройства, содержащее N жестких дисков (HDD) 1, контроллер 2, кластер серверов с FPGA 3 в составе сетевого адаптера с поддержкой компрессии 3-3, центрального процессора (CPU) 3-1, программируемой логической интегральной схемы FPGA 3-2, первой и второй подложек из окиси алюминия с множеством продольных отверстий 3-4, тепловых трубок 3-5, резервуар с охлаждающей жидкостью 3-6, помпу 3-7; коммутатор 4.
На фиг. 2 представлен общий вид радиатора для охлаждения CPU и FPGA, а на фиг. 3 - строение подложки радиатора.
Устройство работает следующим образом.
С ростом вычислительной мощности современные процессоры потребляют все больше и больше энергии. Основная ее часть выделяется в виде тепла. Этот непрерывный тепловой поток можно отбирать только через ограниченную площадь процессорного ядра. Производители стараются бороться с потреблением энергии и тепловыделением переходом на более низкие напряжения питания и технологические нормы. С уменьшением микронных норм производства потребление мощности действительно уменьшается, однако уменьшается и площадь кристалла самого ядра, что в свою очередь, ведет к увеличению плотности теплового потока. И хоть тепла становиться меньше, но снизится ли температура внутри ядра меньшей площади - это уже под вопросом. С увеличением интеграции и уменьшением площади чипа отвод тепла с его поверхности становится все более трудной задачей. Здесь требуются специальные материалы и теплоносители. Неизменный рост тактовых частот предполагает неизбежное увеличение тепловыделения CPU и FPGA в дальнейшем. Для процессоров с тактовыми частотами, превышающими 2 ГГц, рекомендуются coolers (вентиляторы) с радиаторами из меди, либо хотя бы с медной подошвой на алюминиевом радиаторе.
В характеристиках CPU, FPGA и систем охлаждения указывается значение TDP (Thermal Design Power). Это показатель максимального количества тепла, с отводом которого должна справляться система охлаждения для эффективного охлаждения крышки процессора.
Данное значение у систем охлаждения должно, как минимум, совпадать со значением процессора, а желательно превосходить его.
Здесь важно учесть, что процессоры с возможностью разгона будут при этом самом разгоне выделять значительно больше тепла. Для таких процессоров потребуется и система охлаждения с большим значением TDP.
Любой процессор для нормального функционирования нуждается в хорошей системе охлаждения. Во время его работы выделяется большое количество тепла, и он сильно нагревается. Чем выше показатель производительности CPU и FPGA, тем больше они отдают тепла. Если устройство хранения данных не будет быстро удалять воздух, это может привести к различным системным сбоям, некорректному функционированию техники, снижению производительности, стать причиной выхода из строя важных элементов.
Снизить тепловыделение CPU, FPGA поможет обновление, замена термопасты. Термопаста - не что иное, как смазка для охлаждения CPU, FPGA. Она является теплопроводником между CPU, FPGA и радиаторами, закрепленными на них, устраняет микроскопические неровности соприкасающихся поверхностей, удаляет между ними воздух, который препятствует теплоотводу. Хорошая, качественная термопаста снизит температуру на 5-10 градусов.
В случае охлаждения системы жидкостью с использованием радиаторов ситуация коренным образом меняется. Охлаждающая жидкость циркулирует в изолированном пространстве - по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любую конфигурацию и направление. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы при такой же или гораздо большей эффективности.
2
3
Жидкость (в большинстве случае это дистиллированная вода) прокачивается через подложку радиатора 3-4 с помощью специального насоса (помпы) 3-7. Все компоненты конструкции соединены между собой тепловыми трубками 3-5. Проходя через радиаторы CPU и FPGA жидкость забирает их тепло, после чего попадает по трубкам в резервуар с охлаждающей жидкостью 3-6, где охлаждается сама. Система замкнута, и жидкость в ней циркулирует постоянно. В качестве нового конструктивного элемента (подложка радиатора 3-4) (фиг. 3) взят по специально выращенной технологии [1] монокристалл AlO (сапфир) с микроканальными теплообменниками, обладающий высочайшей теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью алмаза. Микроканалы имеют диаметр порядка 50 микрон и образуются армированием выращиваемого кристалла кремнием с последующим его удалением (вытравливанием). Такая подложка позволяет снять до 25 Вт/см2 тепловой мощности и обладает уникальным сочетанием физико-химических свойств: высокой твердостью, химической инертностью, высокой температурой плавления (2050°С), низким термическим расширением при высоких температурах и высокой стойкостью к термоударам.
Таким образом, циркуляционная система с использованием специально выращенной подложки с микроканальными теплообменниками значительно повышает эффективность теплообмена для охлаждения центрального процессора (CPU) и программируемой логической интегральной схемы FPGA в устройстве хранения данных.