技术领域
[0001] 本
发明的各种
实施例涉及互联网
数据中心（IDC）的电池备用系统（battery backup system），其中特别强调通过管理功率控制来增加机架（rack）密度。
背景技术
[0002] 非常大型数据中心的增长已经导致了所谓的“
服务器场（server farm）”，其可含有数千或数万台的服务器。为了高效使用空间，服务器通常布置在标准化的19英寸宽的机架中，每个机架容纳多台服务器，在房间或
建筑物中有许多机架。服务器机架的安装基数（installed base）已经非常庞大，在适当
位置（in place）有数十万或可能数百万个机架。由于从IDC级设置的每个机架的功率预算，每个机架可能受限于定义的
峰值功率。IDC升级进度远远落后于服务器和机架的升级进度，使得今天的机架中的许多机架仍然必须部署在多年前受到那个时代限制的情况下建造的IDC中。机架空间的利用率通常较低，因为机架本身以及由IDC分配给每个机架的
电网功率（grid power）是在以前的时代用较早的技术设计的。此外，服务器可要求持续时间段从几分钟到几个小时的额外功率（超过它们的长期稳态值）。通过向机架提供增加的电网功率来满足这个需求是不切实际的，因为IDC中的功率源和机架以及其它现有
基础设施的安装基数非常大。
[0003] 在机架内，分配的功率通常可足够大以应对该机架中的服务器所需的功率的临时电涌（surge）（超过平均功耗），只要那些电涌持续的时间不超过定义的时间段。超过这个定义的时间段可能会导致有害的结果，诸如紧急计算机关闭或甚至热损坏。因此，机架中服务器的数量可能故意保持较低，以避免在服务器需要额外功率时使功率系统过载（overstress）。
[0004] 通常使用电池备用系统（BBS）来提供不间断电源（UPS）功能，其中仅当主功率源丢失（例如，到容纳服务器场的建筑物的电网功率发生故障）时，才使用电池来提供功率。在此类情况下，当电网功率可用时，BBS可保持充满电，以最大化BBS能在电网中断后随后幸存（subsequently survive）的时长。然而，当电网功率可用时，BBS通常不补充电网功率。
附图说明
[0005] 本发明的一些实施例可通过参考以下描述和用来说明本发明的实施例的附图来更好地理解。附图中：图1示出了
现有技术服务器机架的一实施例。
[0006] 图2示出了根据一实施例的图1的机架中的示例性功耗的图表。
[0007] 图3示出了根据本发明的一实施例的具有
备用电池系统（BBS）的机架。
[0008] 图4A和图4B示出了根据本发明的一实施例的控制总机架输入功率的方法的
流程图。
具体实施方式
[0009] 在以下描述中，阐述了众多具体细节。然而，应理解，在没有这些具体细节的情况下，也可实践本发明的实施例。在其它实例中，未详细示出公知的
电路、结构和技术，以免模糊对本描述的理解。
[0010] 对“一个实施例”、“一实施例”、“示例实施例”、“各种实施例”等的参考指示如此描述的本发明的（一个或多个）实施例可包括特定特征、结构或特性，但不是每个实施例都必然包括这些特定特征、结构或特性。此外，一些实施例可具有针对其它实施例描述的特征中的一些或所有特征，或者不具有针对其它实施例描述的特征中的任何一个特征。
[0011] 在以下描述和
权利要求中，可使用术语“耦合的”和“连接的”及其衍生词。应理解，这些术语不旨在作为彼此的同义词。而是，在特定实施例中，“连接的”用来指示两个或更多要素彼此直接物理或电
接触。“耦合的”被用来指示两个或更多要素彼此协作或交互，但它们可具有或者可不具有在它们之间的物理或电气组件。
[0012] 如在权利要求中所使用的，除非另外
指定，否则描述公共要素的序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等的使用，仅指示提到相似要素的不同实例，并且不旨在暗示如此描述的要素必须在时间上、在空间上、以排名或以任何其它方式处于给定的序列中。
[0013] 本发明的各种实施例可全部或部分地以
软件和/或
固件实现。该软件和/或固件可采取含在非暂时性计算机可读存储介质之中或之上的指令的形式。指令可由一个或多个处理器读取和执行，以能够实现本文中描述的操作的性能。指令可用任何合适的形式，诸如但不限于源代码、编译代码、解译代码（interpreted code）、可执行代码、静态代码、动态代码等。此类计算机可读介质可包括用于以由一台或多台计算机可读的形式存储信息的任何有形非暂时性介质，诸如但不限于只读
存储器（ROM）、
随机存取存储器（RAM）、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储器等。
[0014] 为了参考，图1示出了典型的现有技术服务器机架。尽管被认为是现有技术，但是在本详细描述部分中示出它，是因为它构成了随后描述的本发明的各种实施例的基础。所示的机架被示出有19英寸的
水平尺寸，这在过去几十年的计算机界中已经很普遍，但是也可使用其它尺寸。机架还被示出有其中用于安装服务器的总共50个单元的竖直安装空间，但是也可使用其它竖直尺寸。为了冗余起见，每台服务器被示出有两个供电单元（PSU），其中每个PSU由独立的电网功率源（源1或源2）通电（energize）。这准许服务器在PSU之一或为它供电的电网功率源发生故障的情况下继续操作。在典型的配置中，当另一个PSU发生故障时，每个PSU可为服务器供应足够的功率以进行操作。但是在没有此类故障的情况下，每个PSU可供应服务器所需功率的近似一半，并且服务器或PSU可含有以这种方式平衡负载的电路。
[0015] 图1的机架只含有机架有空间用于容纳的尽可能多的服务器的60%，这是现有技术服务器场中的典型配置。这种空间的巨大浪费的原因可在图2中看见。
[0016] 图2示出了根据一实施例的图1的机架中的示例性功耗的图表。该示例的特定机架具有8.8千瓦（kW）的最大功率额定值，和8.0 kW的短期功率额定值（例如，小于5分钟），以及7.2 kW的长期功率额定值（例如，超过5分钟以及甚至长达几个小时）。稳态功耗被示出在
6.5 kW附近。考虑到来自服务器和机架中的每个组件（例如，CPU、DDR、HDD等）消耗的功率的可能公差（tolerance），可能没有容易的方法来防止短期峰值需求超出（exceed）它们的预期范围。因此，该示例中示出0.8 kW的缓冲带，以防止短期峰值需求无意中超出机架的最大功率额定值。在该示例中，这可能将机架的实际峰值功率限制到8.0 kW。
[0017] 在所示的示例中，服务器的短期峰值负载可能使对PSU的稳态需求增加近似1.5 kW。类似地，服务器的长期峰值负载可能使对PSU的稳态需求增加近似0.7 kW。这两个因素结合0.8 kW缓冲带导致机架中的所有服务器的稳态功耗的最大值仅为6.5 kW，即使机架本身可能额定在8.8 kW。这也指示短期峰值功率如何可以是限制在机架中部署更多服务器的关键因素。因此，机架中服务器的数量可显著地限制到远少于那些服务器可用的物理空间。
[0018] 图3示出了根据本发明的一实施例的具有备用电池系统（BBS）的机架。电网功率1被示为机架的AC功率的源，在所示的实施例中，它为机架中的服务器的左侧上的供电单元（PSU）提供功率（如在图1和图3两者中所见）。类似地，电网功率2被示为机架的AC功率的独立源，在所示的实施例中，它为
整流器提供功率。然后，整流器提供DC功率以便给电池备用系统（BBS）充电，并且还向机架中服务器的右侧上的PSU提供DC功率。所示的PSU可能够在AC或DC功率上操作，这允许将整流器和BBS改装（retrofit）到现有的机架中，而不替换PSU。然而，其它实施例可用仅限DC的PSU或AC/DC PSU来替换一些仅限AC的PSU。
[0019] 图3似乎示出了在机架顶部的整流器和BBS。然而，其它实施例可将整流器和/或BBS置于任何方便的位置中。图3还示出了占用4个单元的机架空间的整流器和BBS，为超过图1中所示的数量的附加的服务器和它们各自的PSU留出16个单元的机架空间。然而，其它实施例可出于这些目的使用其它数量的单元。为清楚起见，图3仅示出该空间中的一个附加的服务器，但是其它实施例可具有更多服务器。
[0020] 对于图3和图4的随后描述，可使用以下定义：Pgp1 — 由电网功率1提供的实际功率。
[0021] Pgp2 — 由电网功率2提供的实际功率。
[0022] PR — 整流器的输出功率。
[0023] PB — BBS的输出功率。
[0024] P_rack— 由机架消耗的总输入功率（如从机架外侧所测量的），其包括Pgp1 + Pgp2。
[0025] Prack_limit— 在不考虑BBS输出PB的情况下机架的预确定的最大输入功率极限设置，即，Pgp1 + Pgp2准许的最大值。
[0026] P — 由机架消耗的功率（P_rack）超出Prack_limit的量的½。
[0027] 在一些实施例中，每台服务器将自动平衡由它的两个PSU汲取的功率量（假设PSU或它的功率源的故障不阻止此类平衡）。因此，假设没有故障，Pgp1 =½ P_rack。类似地，当BBS不贡献功率时，在正常操作状况下，PR = ½ P_rack。如果整流器具有100%的效率，则Pgp2也将是= ½ P_rack。由于整流器的效率u可能略低（在这种情况下为98%），所以Pgp2可能略大于PR。但是为了简化解释，随后的描述可假设PR = Pgp2。本领域普通技术人员应当能够计算整流器的效率在多大程度上影响本文中接下来的描述。
[0028] 除了刚刚描述的功率量之外，当由功率控
制模块请求（call upon）BBS的输出功率时，BBS可提供输出功率PB。在正常的稳态功率状况下，电网功率1和电网功率2可各自提供所需机架功率的一半，就像图1的情况一样，其中图3中的差别在于，电网功率2首先经过高效整流器。然而，当服务器针对短期或长期峰值负载需要附加的功率时，BBS可提供所需的附加功率的一些或全部而不是依赖于电网功率来获得额外的功率。
[0029] 图4示出了根据本发明的一实施例的控制总机架输入功率的方法的流程图。流程图400的操作可通过由一个或多个处理器、监测逻辑、控制逻辑、软件、固件和/或其它模块组成的控制单元来执行。由于它们在系统中的分布以及可用来执行这些功能的模块及其配置的多样性，图4中未示出它们。然而，在各种实施例中，
控制模块可在整流器内、在整流器外部、或部分地在整流器内并且部分地在整流器外部。
[0030] 过程可在405开始，并且在初始状态410，电网源Pgp1和Pgp2可各自提供总机架功率P_rack的近似½。在415，控制单元可确定机架上的负载已经上升，并且现在超出了机架功率极限Prack_limit一定量，此处将该量定义为2P（即，P值的两倍）。当与图2的曲线图相比时，Prack_limit将是8.8 kW。作为在415确定的结果，当Pgp2开始超过½ Prack_limit时，在420，可将来自Pgp2的功率电平重设成½ Prack_limit。
[0031] 在一个实施例中，系统可含有监测模块（位于整流器内部或外部），它用于监测BBS的输出PB，并设置整流器以将它的输出功率PR限制到所要求的电平。在一些实施例中，整流器可通过调整它的
输出电压来调整它的输出功率（例如，增加输出电压来增加输出功率，或减少输出电压来减少输出功率）。然后，BBS可自然地调整它自己的输出功率，以当PR降低时供应下游服务器所要求的额外功率。
[0032] 在425，可将BBS的输出PB设置成P（每次操作415，功率需求超出Prack_limit的量的1/2）。相应地，可将Pgp2重设成½ Prack_limit- P，使得BBS的输出功率可进一步增加P，使得PB达到
2P值。
[0033] 在430，可再次增加BBS输出功率PB，这次增加到2P，并且可将Pgp1增加到½ Prack_limit + P。此时，Pgp2 = ½ Prack_limit - P，Pgp1 = ½ Prack_limit + P，并且BBS输出PB = 2P。将这些加在一起，由Pgp1和Pgp2供应给机架的总功率是Prack_limit，如在435所见，而供应给服务器的功率= Prack_limit + 2P。因此，即使机架具有比现有技术中将是可行的服务器更多的服务器并且这些服务器正汲取峰值负载，服务器仍得到满足峰值负载需求所需的功率，而电网功率1和电网功率2未超出它们的设计限制。
[0034] 操作405-435已经描述了其中所要求的总机架功率可从低于或在Prack_limit转变为高于Prack_limit的一实施例。操作440-480描述其中总机架功率可在高于或低于Prack_limit的各种电平之间动态地
波动的一实施例。
[0035] 当流程图400从操作435移动到操作440时，假设来自BBS的输出功率PB为2P。（记住，P定义为P_rack超出Prack_limit的量的½）。在440，控制单元可实时监测BBS输出功率PB。如果PB增加（如在445所确定的），则在450，可将增加的量定义为第一量β，让PB = 2P + β。为了抵消（offset）来自Pgp1的类似增加，在455，可将Pgp2重设成½ Prack_limit - P - β。然后，为了抵消操作455，在460，可将PB增加为2P + 2β。这可使流程图返回到435，在435由Pgp1和Pgp2供应的总功率为Prack_limit，而服务器接收Prack_limit +新P（B 它现在是2P + 2β）。
[0036] 前一段描述了如果在445检测到BBS输出的增加，可能发生的情况。但是，如果没有检测到此类增加，则流程可进行至465，在465可将PB减小第二量α，让PB = 2P - α。在470，可确定是否2(P-α)＞0。如果是，则在475，可将Pgp2重设成½ Prack_limit - P + α。然后，在480，可将BBS输出功率PB减小至2P - 2α，并且流程可返回到435。此时，总机架功率P_rack可= Pgp1和Pgp2 = Prack_limit。另一方面，如果2(P-α)不>0，则流程可返回到410，在410，通过电网源Pgp1和Pgp2各自提供总机架功率P_rack的近似½来平衡电网功率。
[0037] 示例以下示例涉及特定实施例：
示例1包括一种被配置成供具有第一电网功率源、第二电网功率源和电池备用系统（BBS）的计算机服务器机架中使用的控制单元，所述控制单元适于：检测到机架中的多台服务器的功率需求比机架的指定最大功率极限超出第一确定量的两倍；将BBS输出功率设置成第一确定量；将来自第二电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半减去第一确定量；以及将BBS输出功率设置成第一确定量的两倍，并将来自第一电网功率源的输出设置成最大功率极限的一半加上第一确定量。
[0038] 示例2包括示例1的控制单元，所述控制单元进一步适于：响应于多台服务器的增加的功率需求，将BBS输出功率增加第二确定量；响应于所述增加的功率需求，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量减去第二确定量；以及将BBS输出功率重设成第一确定量的两倍加上第二确定量的两倍。
[0039] 示例3包括示例1的控制单元，所述控制单元进一步适于：响应于多台服务器的减小的功率需求，将BBS输出功率减小第三确定量；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍不大于零，将第一电网功率输出设置成等于第二电网功率输出等于总机架功率的一半；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍大于零，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量加上第三确定量；以及将BBS输出功率重设成第一确定量的所述两倍减去第三确定量的两倍。
[0040] 示例4包括示例1的控制单元，所述控制单元进一步包括在多台服务器中的每台中的第一供电单元和第二供电单元；其中所述第一供电单元中的每个供电单元被耦合到第一电网功率源，并且所述第二供电单元中的每个供电单元被耦合到BBS和第二电网功率源。
[0041] 示例5包括示例4的控制单元，其中每台服务器被配置成平衡来自第一供电单元的功率需求和来自第二供电单元的功率需求。
[0042] 示例6包括示例1的控制单元，所述控制单元进一步包括耦合在第二电网功率源和BBS之间的整流器。
[0043] 示例7包括示例6的控制单元，其中控制单元要监测BBS的输出功率并且要控制整流器的输出功率。
[0044] 示例8包括一种控制计算机服务器机架中的功率的方法，所述方法包括：检测到机架中的多台服务器的功率需求比机架的指定最大功率极限超出第一确定量的两倍；将电池备用系统（BBS）的输出功率设置成第一确定量；将来自第二电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半减去第一确定量；以及将BBS的输出功率设置成第一确定量的两倍，并将来自第一电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半加上第一确定量。
[0045] 示例9包括示例8的方法，所述方法进一步包括：响应于多台服务器的增加的功率需求，将BBS的输出功率增加第二确定量；响应于所述增加的功率需求，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量减去第二确定量；以及将BBS的输出功率重设成第一确定量的两倍加上第二确定量的两倍。
[0046] 示例10包括示例8的方法，所述方法进一步包括：响应于多台服务器的减小的功率需求，将BBS的输出功率减小第三确定量；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍不大于零，将第一电网功率输出设置成等于第二电网功率输出等于总机架功率的一半；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍大于零，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量加上第三确定量；以及将BBS的输出功率重设成第一确定量的所述两倍减去第三确定量的两倍。
[0047] 示例11包括示例8的方法，所述方法进一步包括在计算机服务器机架中的每台服务器内平衡来自第一供电单元的功率需求和来自第二供电单元的功率需求。
[0048] 示例12包括示例8的方法，所述方法进一步包括监测BBS的输出功率。
[0049] 示例13包括示例8的方法，所述方法进一步包括控制耦合到BBS的整流器的输出功率。
[0050] 示例14包括一种含有指令的计算机可读非暂时性存储介质，所述指令当由一个或多个处理器执行时导致执行包括以下操作的操作：检测到机架中的多台服务器的功率需求比机架的指定的最大功率极限超出第一确定量的两倍；将电池备用系统（BBS）的输出功率设置成第一确定量；将来自第二电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半减去第一确定量；以及将BBS的输出功率设置成第一确定量的两倍，并将来自第一电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半加上第一确定量。
[0051] 示例15包括示例14的介质，其中操作进一步包括：响应于多台服务器的增加的功率需求，将BBS的输出功率增加第二确定量；响应于所述增加的功率需求，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量减去第二确定量；以及将BBS的输出功率重设成第一确定量的两倍加上第二确定量的两倍。
[0052] 示例16包括示例14的介质，其中操作进一步包括：响应于多台服务器的减小的功率需求，将BBS的输出功率减小第三确定量；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍不大于零，将第一电网功率输出设置成等于第二电网功率输出等于总机架功率的一半；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍大于零，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量加上第三确定量；以及将BBS的输出功率重设成第一确定量的所述两倍减去第三确定量的两倍。
[0053] 示例17包括示例14的介质，其中操作进一步包括在计算机服务器机架中的每台服务器内平衡来自第一供电单元的功率需求和来自第二供电单元的功率需求。
[0054] 示例18包括示例14的介质，其中操作进一步包括监测BBS的输出功率。
[0055] 示例19包括示例14的介质，其中操作进一步包括控制耦合到BBS的整流器的输出。
[0056] 示例20包括一种被配置成供具有第一电网功率源、第二电网功率源和电池备用系统（BBS）的计算机服务器机架中使用的控制单元，所述控制单元具有用于以下操作的部件：检测到机架中的多台服务器的功率需求比机架的指定最大功率极限超出第一确定量的两倍；将BBS输出功率设置成第一确定量；将来自第二电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半减去第一确定量；以及将BBS输出设置成第一确定量的两倍，并将来自第一电网功率源的输出功率设置成最大功率极限的一半加上第一确定量。
[0057] 示例21包括示例20的控制单元，所述控制单元进一步具有用于以下操作的部件：响应于多台服务器的增加的功率需求，将BBS输出功率增加第二确定量；响应于所述增加的功率需求，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量减去第二确定量；以及将BBS输出功率重设成第一确定量的两倍加上第二确定量的两倍。
[0058] 示例22包括示例20的控制单元，所述控制单元进一步具有用于以下操作的部件：响应于多台服务器的减小的功率需求，将BBS输出功率减小第三确定量；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍不大于零，将第一电网功率输出设置成等于第二电网功率输出等于总机架功率的一半；响应于确定第一确定量的两倍减去第三确定量的两倍大于零，将第二电网功率输出设置成最大功率极限的所述一半减去第一确定量加上第三确定量；以及将BBS输出功率重设成第一确定量的所述两倍减去第三确定量的两倍。
[0059] 示例23包括示例20的控制单元，其中计算机服务器机架中的每台服务器包括用于平衡来自第一供电单元的功率需求和来自第二供电单元的功率需求的部件。
[0060] 示例24包括示例20的控制单元，其中控制单元包括用于监测BBS的输出功率的部件以及用于控制耦合到BBS的整流器的输出功率的部件。
[0061] 前述描述旨在是说明性的而非限制性的。本领域技术人员将想到变化。这些变化旨在包括在本发明的仅由以下权利要求的范围限制的各种实施例中。
