61讲堂 数据中心级交换机S12500的绿色设计

作为新一代的大型路由交换设备，H3C S12500在开发过程中始终贯彻了绿色节能的设计思想，在设备端口密度、功能大大增强的情况下，将功能（性能）/能耗比也提升到了一个新的高度。

数据中心级交换机S12500的绿色设计文/周文祥高端核心交换机的特点是：端口密度高，设备功能强大；设备的网络位置高，生命周期较长。

高密度的单板和复杂的功能带来设备功耗的增加，因此降低设备生命周期的功耗、减少碳排放，对于降低使用成本也显得尤为重要——减少设备能耗不仅有助于降低电费开销，更重要的是便于降低设备中器件的工作温度，提高设备的可靠性，从而大大降低设备的使用和维护成本。

作为新一代的大型路由交换设备，H3C S12500在开发过程中始终贯彻了绿色节能的设计思想，在设备端口密度、功能大大增强的情况下，将功能（性能）/能耗比也提升到了一个新的高度。

1 S12500的绿色节能设计1.1 节能器件技术俗话说兵马未动粮草先行。

一台整机消耗的功率是该设备内所有器件消耗功率的总和。

选择低功耗的器件是实现节能降耗的源头，其带来的效果不单是整机功耗简单累加后的降低，还将降低热设计的代价。

对于通信设备来说，器件的工艺越先进，完成同样功能的器件所消耗的功率越低。

因此，选用先进工艺的集成电路可以从源头上降低设备的功耗。

H3C S12500中使用的核心处理芯片采用了新一代ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路），芯片采用65nm工艺设计，相比前一代芯片，功能/能耗比增加了30%以上，大大节省了功耗。

低功耗器件不仅仅体现在工艺的先进性，而且具有许多低功耗功能特性。

H3C S12500交换机选用的以太网接口PHY（Physical Layer）支持低能耗设计，设备可以根据现实的网络组网情况和连接、流量负荷等因素，灵活调整工作模式。

图1表示的就是接口芯片在不同工作状态下的功耗对比，从图中可以看出，芯片的低功耗特性相比较于传统的IEEE自协商工作机制最多可以节省5倍功耗。

图1 千兆以太网电接口PHY 在不同节能模式下的功耗对比H3C S12500交换容量大，端口密度高，用户在实际配置使用时一般都不会满配置，设备内部的端口也会有空闲。

S12500支持内部背板端口的自动检测，当某槽位未配置接口板时，系统可以自动关闭和该接口板相连的所有交换网板背板高速端口，节省不必要的电力消耗。

1.2 节能电源技术电源系统作为通信设备的动力系统，在系统中占有极其重要的地位，也是绿色设计中节能降耗的重点关注对象。

衡量电源自身能耗【P 损】的主要指标是电源效率【η】，从其定义【η= P o / P i = P o /（P o + P 损）】可以得出，电源自身损耗【P 损】：o P P ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11η损 同样的负载功率【P o 】下，电源效率越高损耗越小。

因此，电源系统节能降耗的重点在于提高整个电源子系统的效率。

对于通信设备，通常使用-48V 的中间电压（AC/DC 一次电源的输出、电池组等），单板上芯片的供电电压一般在0.6V ～5V ，所以芯片一般需要经过多个DC/DC 转换后才能获得符合器件要求的电压。

假设从一次电源电压到器件电压共有 n 个DC/DC 变换，则电源总效率DCn DC2DC1Total ηηηη⋅⋅⋅=。

图2 复杂通信设备内部的电源分配图2表示的是复杂通信设备中典型的供电框图，对于系统中各级的每个单元（模块），我们，减少能耗。

都要提供高效率，这样才能提高Total1.2.1 高效的电源模块H3C S12500采用了高效率AC/DC一次电源模块，最高转换效率达到92%以上（在负载50%～70%情况下），参见0。

高效率的电源模块不仅大大降低无用功率消耗，而且大大减少了电源的发热，从而减少了散热成本。

图3 S12500的AC/DC模块效率曲线H3C S12500中单板电源采用IBA（Intermediate Bus Architecture）架构，选用高效率二次电源模块，典型转换效率达96%以上（负载40%～100%情况下），参见0。

高效率的二次电源模块减少了单板上无用功率消耗，同时也减少了单板的散热成本。

图4 单板二次电源模块的效率曲线1.2.2 灵活的电源冗余技术从图3中可以发现，电源的输出效率并不是在任何负载情况下都是一致的，而是呈一条曲线。

在高可靠通信产品中，电源一般会进行冗余配置（配置多个电源单元，单元之间按照某种形式进行备份），以免单个电源单元失效造成设备中断。

如果设备电源采用1＋1冗余备份方式，当设备正常工作时（2个电源单元都处于工作状态），电源单元就处于50%以下的负载状态下工作（为了保证1个电源单元故障下设备不中断工作）；当设备配置较少时，电源的负载会更小（一般负载率在10%～45%）。

这样，每个电源单元都不是工作在最佳效率下，从而带来了电源自身能耗比重的增加，设备配置单板较少时这种问题更为明显。

如果设备电源使用N＋1（N≥2）冗余，配合特定模式下电源关断功能，可以实现高可靠和高效率的双重优势。

在这种模式下，当设备正常工作时（N＋1个电源单元都处于工作状态），电源单元就处于N / （N + 1）的负载状态下工作（为了保证1个电源单元故障下设备不中断工作），这样每个电源单元工作在66%以上的负载下（通常配置下负载率在30%以上），更加接近于最佳效率区。

H3C S12518包含多达12个一次电源模块槽位（S12518 AC电源系统，参见图5），系统电源支持N+1、M+N配置模式。

系统中的所有配置模块均互相自动均流配置，用户可以根据系统功耗灵活配置模块数量，使模块工作在高效区间，提高整个电源系统的效率。

图5 H3C S12518 AC电源系统1.2.3 完备的智能电源管理技术高端设备中庞大而复杂的电源系统需要完备灵活的电源管理。

灵活的电源管理系统不仅能够自测发热量、工作时间和负载响应情况，还可以控制系统中单板电源的停止和启动顺序，隔离故障单板和完全没有业务配置的单板，从而降低通信设备的功耗。

H3C S12500支持完备的智能电源管理。

系统的电源管理不仅支持系统一次电源的智能监控，设备中各单板还配置专用MBUS（Maintenance Bus：维护管理总线）模块以支持单板的电源开关和监控，可以支持单板顺序上电（降低单板同时上电带来的电源冲击，提高设备寿命，降低电磁辐射），控制单板下电，隔离故障/空闲单板，降低系统功耗。

1.3 高效节能散热系统高端通信设备容量大，端口密度高，对于业务的处理也更加精细（需要设备处理能力的提高），这些都导致了设备运行时功耗增加，从而引起设备发热量的增加。

所以，散热系统对于保证设备正常运行作用更加重要。

统计表明，在以太网交换机中散热系统占整机最大功耗的平均百分比约为7%，某些高端设备甚至可以达到15%以上（上述统计是基于系统工作在最大功耗条件下）。

因此，一个合理高效的散热系统不仅要能够保证设备的顺利运行，而且还需要尽可能的降低自身的功耗。

散热设计的目标是保证设备即使工作在最坏工作条件下也能带走足够的热量，从而使系统可靠运行。

而大多数情况下，系统的工作条件远没有“最坏条件”那么苛刻，在这种相对良好的条件下，我们完全可以通过适当的设计，把散热系统的能耗降下来。

另外，通过优化风道设计、优化热交换效率等可使系统散热更加有效，从而降低对散热系统的要求；通过良好的板级设计，用自然散热替代强迫风冷，都可以实现节能降噪的目的。

1.3.1 智能风扇调速通信设备散热系统需要满足满配置的设备在高温条件下（产品最高工作温度）的长期稳定运行，而且能留有一定的余量。

但是在通信设备的实际应用中，大部分设备工作时不会出现满配置情况（单台框式设备中只有2～3块业务板工作的情况比较多见），机房的温度也保持在相对稳定的室温。

这种情况下，如果风扇依然工作在最高风速状态，则散热系统功耗占整机功耗的比例将会迅速上升，不仅造成能源的浪费，也造成了设备运行噪声的增加。

一台优秀的设备在运行时，要根据设备的运行环境（温度）、单板的配置情况对散热系统进行动态调整，利用风扇调速方法可以降低散热子系统的功耗和噪声，延长风扇寿命。

业界大部分设备风扇采用多档调速，风扇转速分为几档（如4档），不同的温度区间对应不同的风扇转速档位。

部分设备采用比较高级的调速策略，即环境温度与风扇转速的线性调速，在最低温度（对应最低转速）与最高环境温度（风扇满转速）之间风扇转速线性变化。

H3C S12500风扇采用高效PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）调速风扇，支持无级调速（即风扇转速随着PWM信号的占空比变化而连续变化）。

系统可以自动收集单板温度，根据设备实际情况计算风扇调速曲线，并将调速命令下发到风扇框。

S12500系统根据监测的全系统温度值，通过数据拟合处理，可精确计算出风扇转速值，并将调速命令下发到风扇框，实现无级调速。

在实际应用中，由于系统中不同单板的功耗差别较大，因此各单板对散热的要求也有所差别。

S12500风扇框中对风扇进行了分组，不同风扇组对应不同槽位的单板。

S12500可以根据设备的单板配置进行自动识别，并根据单板配置对相对应风扇组的转速进行单独控制，即对应大功耗单板的风扇转速组会比对应于小功耗单板风扇组的转速要高，从而达到风扇转速的最优化设置，大大降低设备功耗和运行噪声。

S12500精细的风扇调速策略可降低风扇框功耗20~30%，同时降低系统噪声3~6 dBA。

1.3.2 合理的散热风道设计H3C S12500采用竖插框结构，其风道设计有效的提高了机房的散热效率，降低机房空调能耗。

在后文“S12500竖插框散热设计”中，将对其散热设计做详细介绍，本文不赘述。

图6 H3C S12518的风道结构1.4 S12500与友商产品的能耗比较经过精心设计，S12500在能耗比上具有突出的优势。

从下表可以看出，H3C S12500在端口平均能耗上比友商同类产品至少降低20％，在10GE端口的平均功耗上甚至可降低50％以上。

注：1、10GE端口计算时将Cisco Nexus7000的32*10GE非线速板卡数据折算成8*10GE线速板卡。

2、友商产品数据来自其官方网站。

2 结语作为H3C新推出的旗舰产品，S12500不仅在业务、功能上大大领先同类产品，而且在产品设计和开发中始终贯彻节能设计目标，极大降低了产品周期的TCO （Total Cost of Ownership），为客户创造了价值。