专利名称：利用计算机系统的废热的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用带有多个处理器的计算机系统的废热的方法和 系统。
背景技术：
如今的计算机系统，例如所谓的服务器群(Serverfarmen ),已经可 以具有多达数千个处理器。鉴于对网络服务的不断增长的需求，可以预见 的是在将来的系统中处理器的数目进一步增大。随着各处理器的能力的提 高，对于电功率的需求也增大。这在參沐上一方面导致了大的计算机系统 的巨大的初始能量需求(能耗)，并且另一方面导致大量积累的热量，这 些热量必须通过合适的冷却装置从计算机系统中散发出去。通常，为了将 热从计算机系统^JL出去而需要另外的初始能量，例如通过使用压缩机空 调设备来将计算机系统安装于其中的空间进行空气调节。另 一方面已知的 是，将用于计算机系统的初始能量至少部分地再利用，例如将废热通过热 交换器耦合输入到供暖系统中或者用于提供热水的系统中。在存在对于供 暖热或者热水的需求的前提下，于是可以减小计算机系统和周围的办公建 筑的整体能量需求。
发明内容
本发明的任务是，提供一种方法和系统，借助其以多种方式以高效率 来使用具有多个处理器的计算机系统的废热。
该任务通过独立权利要求的特征来解决。在相应的从属权利要求中说 明了改进方案和有利的扩展方案。
才艮据本发明的第一方面，该任务通过一种用于利用带有多个处理器的 计算机系统的废热的方法来解决，该方法具有如下步骤将计算机系统中 的工作任务分配给处理器，4吏得处理器中的第一组处理器以高负荷工作， 而处理器中的第二组处理器仅以低负荷工作。处理器的废热传输给用于利用废热的装置。
根据本发明的第二方面，该任务通过一种用于利用带有多个处理器的
计算机系统的废热的方法来解决，该方法具有如下步骤处理器的废热通 过冷却装置来引走，其中从处理器引走的各热量被调节为使得处理器具有 大于预先给定的最低温度的温度。处理器的废热又被传输给用于利用废热 的装置。
在本发明的这两个方面中都利用的是，可供使用的废热所处的温度水 平越高，则废热M有效地使用。例如，在通过热力学卡诺循环使用废热 的情况下，得到最大效率为ii = l-Th/Tk。在此，Th给出了可用废热的 温度水平，而Tk给出了在热力学循环中通过冷却装置将工质冷却到的温 度水平。在此， 一种经济的冷却方法通常是与环境空气的温度或者冷却水 流的温度关联，使得Tk的值仅仅具有小的变化可能性。根据本发明，通 过将温度Th (废热以该温度被从计算机系统引走)尽可能提高来实现高 效率il。
根据本发明的第一方面，通过如下方式来实现废热的高温度水平将 计算机系统中的工作任务分配给不同的处理器，使得形成至少两组处理 器，其中第一组处理器以高的负荷工作。
处理器所消耗的电功率取决于处理器工作的时钟频率和电压。此外， 所消耗的电功率随着处理器的负荷而增大，因为并未完全负荷的处理器所 执行的空操作(Null-Operationen)导致处理器的比其他操作更小的电流 消耗。在处理器上出现的温度由所消耗的电功率以及单位时间所散发的热 量(冷却功率)得到。在给定的散热情况下，于是第一组处理器的温度随 着其增大的负荷而升高。
而第二组处理器以尽可能低的负荷工作，使得它们需要尽可能少的能 量。此外，在本发明的一种优选的扩展方案中可能的是，相对于正常工作 将驱动这些处理器的时钟频率和电压降低，以便进一步降低它们的功耗。 与通常的将工作任务在计算机系统内尽可能均匀地分配给处理器的方式 方法不同，因此根据本发明努力要实现将工作任务尽可能不均匀地分配给 第 一组和第二组处理器中的处理器。
根据本发明的第二方面，实现了各处理器的废热的高温度水平，其方 式是限制通过冷却装置将处理器的废热散发，使得在给定的负荷和在此所 消耗的电功率的情况下，出现至少一个预先给定的最低温度。如果最低温度选择得足够高，则可以有效利用废热。优选的是，以摄氏度(。c)表示 的最低温度例如可以超过对于处理器所允许的以摄氏度表示的最高温度
的80%。由此，可以实现70'C至lOOt!的废热的温度水平，而不会导致 处理器的故障或者缩短其寿命。
所示的通过其可以将废热保持在高的温度水平的两种方法必要时也 可以组合地^f吏用。
根据本发明的第三方面，该任务通过一种系统解决，该系统具有带多 个处理器的计算机系统、用于将处理器的至少一部分的废热散发的冷却装 置以及用于利用处理器的废热的装置。在此，该系统被设计用于实施上述 方法。该第三方面的优点对应于第一和第二方面的优点。
以下将参照三个附图借助实施例来进一步阐述本发明。 其中
图1示出了具有带多个处理器以及用于利用处理器的废热的冷却装 置的计算机系统。
图2示出了用于将任务分配给计算机系统的处理器的方法的流程图。 图3示出了用于利用计算机系统处理器的废热的冷却装置。
参考标号表
1 计算机系统
2 服务器拒
3 处理器
4 调度器
5 管理网络
6 冷却剂入口
7 冷却剂出口 10， 20， 30冷却剂循环11, 31 冷却剂泵
12, 22 阀
13， 23， 33热交换器
14， 24， 34有用循环 32 调节阀 35 热吸收器
具体实施例方式
图l示意性示出了计算机系统l，其在多个服务器拒2中具有多个分 别有一个或多个处理器3的服务器。此外，在该计算机系统中设置有调度 器4，用于将任务分配给计算机系统l的处理器3。调度器4通过管理网 络5与计算机系统1的处理器相连。每个服务器拒2通过冷却剂入口 6 和冷却剂出口 7连接至冷却剂循环10上，其中该冷却剂循环具有冷却剂 泵11、阀12和热交换器13。热交换器13将冷却剂循环10热耦合到有用 循环14上。此外，设计了另一冷却剂循环20，其同样与服务器拒2相连。 该另外的冷却剂循环20具有另外的冷却剂泵21、另外的阀22和另外的 热交换器23，该另外的冷却剂循环20通过该另外的热交换器与另外的有 用循环24热耦合。为了控制，阀12和另外的阀22被与调度器6相连。
图1中所示的计算机系统1例如示出了所谓的服务器群或者服务器群 的一部分。替代服务器拒2 (也称为服务器架)，计算机系统1也可以关 于至冷却剂循环10、 20的连接被划分为其他子单元，例如划分为单独的 计算机、服务器或者处理器3。在下面描述的方法也可以以这种划分类似 地应用于其他的作为服务器群的具有多个处理器的计算机系统。
为了冷却处理器3，设置了具有液体冷却的冷却装置。为此，每个服 务器拒2都具有冷却剂入口 6和冷却剂出口 7，液体冷却的冷却剂(例如 水)通过它们被输送给处理器3或者从处理器3引走。
在服务器柜2内设置了未示出的热交换器，它们吸收处理器3的废热 并且将其传输给冷却剂。为了能够更好地区分热交换器13和23，吸收处 理器3的废热的热交换器在以下称为热吸收器。在此，这些热吸收器可以 直接与处理器3热耦合，或者也可以通过导热的元件例如热管(Heat-Pipe) 热耦合。可能的是，针对每个处理器3设置一个热吸收器，或者分别将一组处理器3、例如服务器的所有处理器3与热吸收器热连接。优选的是， 服务器拒2的所有热吸收器相对于冷却剂流平行地设置。在具体情况下， 例如当对于处理器3出于冗余的原因而设置了替代处理器并且处理器3 及其替代处理器通常并不同时工作时，这些处理器3与热吸收器的串联也 是可能的。
通过阀12或者另外的阀22，每个服务器柜2的冷却剂出口 7可以与 冷却剂循环10或者另外的冷却剂循环20相连。由每个服务器拒2的处理 器3产生的并且由冷却剂吸收的废热由此可以输送给热交换器13或者另 外的热交换器23。在该实施例中，冷却剂的回流从热交换器13以及另外 的热交换器23共同经过冷却剂泵11至服务器拒2的入口 4来进行。替代 地同样可能的是，对于每个冷却剂循环IO、 20设置冷却剂泵，并且类似 于服务器拒2的冷却剂的流出支路中的阀12和另外的阀22那样，将这些 阀也设置在流入支路中。
在热交换器13或者23中，处理器3的废热为了利用而被传输到有用 循环14或者24中。有用循环14、 24在此例如可以是加热系统或者热水 提供装置的水循环。同样可能的是，有用循环14、 24是热力学循环的工 质循环。例如，吸收冷却机(Absorptionskaeltemaschine)可以通过i亥循 环而驱动，其中通过这种方式，由处理器3的废热中产生的冷却功率被用 于调节其中安置有计算机系统l的空间的空气。也可能的是，在热力学循
环中，将处理器3的废热用于产生蒸汽，并且随后将热能转换为蒸汽涡轮 机中的机械能。由与蒸汽涡轮^合的发电机产生的电能可以用于部分地 满足计算机系统1的初始能量需求。为了将处理器3的废热转换为M能， 特别是所谓的Kalina循环是合适的，其中通过使用氨-水混合物作为循 环的工质，在比较低的温度水平时已经可能产生蒸汽。
调度器4的任务是，将计算机系统1中^L行的工作任务(也称为任 务、工作或者进程)分配给各处理器3。在此，调度器4可以在计算机系 统1内的针对管理目的而设置的计算机上实施。也可能的是，调度器4 的任务由计算机系统1的服务器的处理器3之一中央g担，或者由处理 器3的多个来分布式M担。
调度器4被设计用于将积累的工作任务分配给处理器3 ，使得处理器 3的一部分以尽可能高的负荷工作，而处理器3的另一部分以尽可能低的 负荷工作。
图2在流程图中示出了针对调度器4的工作方法的极大简化的实施例，其中借助调度器4实现计算机系统1的处理器3的工作负荷中的这种 尽可能大的不均匀分配。
在第一步骤S1中，调度器4接受新的工作任务。例如，计算机系统 1拥有数目为N个的处理器3。各处理器3增大地连续编号，4吏得连续的 数字块被分配给各服务器拒2的处理器3。在步骤S2中，用于指示各处 理器3的变量n被设置为起始值l。在随后的步骤S3中，检查被赋予编 号n的处理器3的负荷。在图3中，该处理器3称为Pn。如果具有编号 n的处理器的负荷小于预先给定的负荷A,则将任M输给具有编号n的 该处理器3用于执行。该方法随后又分支到步骤Sl用于接受新的工作任 务。如果在步骤S3中确定具有编号n的处理器的负荷已经超过预先给定 的负荷，则在步骤S5中将指示变量n提高1，并且如果n在增大之后会 大于N,则将其设置为值l。随后，步骤S3以指示变量n的新的值重复。
通过该方法，处理器3被划分为两组处理器，其中第一组处理器3 以大于A的负荷工作，而第二组处理器仅仅具有低负荷或者甚至没有负 荷。如果W说明了如下的值在该值时，在步骤S4中最后的工作任务被 传输给具有数字11*的处理器，则于是具有编号1至n*-l的处理器以大于 A的负荷工作并且形成第一组，而具有编号11*至N的处理器仅以小的负 荷工作并且形成第二组。在此，极限值11*动态地随着积累的工作量而推 移。
在该方法的替代的扩展方案中可以设计的是，不时地改变处理器3 的编号或者询问处理器的负荷的顺序，使得并非总^1相同的处理器3被首 先分配给第一组。通过这种方式，实现了将处理器3平均地在其寿命中均 匀地负荷。此外可能的是，处理器的实际温度一同影响分配方法。
为了节省初始能量，可以以相对于正常工作减小的电压和降低的时钟 频率驱动第二组处理器3。在计算机系统l中执行的某些进程原则上必须 在各处理器3上运行，例如用于服务器的内部管理的进程，用于维持服务 器的工作准备就绪状态的进程，或者用于在各服务器上提供操作系统的进 程。这些进程导致第二组处理器也有基本负荷。有利的是，可以减小该基 本负荷，其方式是将计算机系统l作为具有虚拟机的系统来驱动，因为在 这样的情况下，可以减小为了提供操作系统而在各月良务器上所需的基本负 荷。
在图l的实施例中，作为另外的任务，调度器4控制阀12和另外的 阀22。与服务器柜2关联的阀12和另外的阀22的中一个在此打开而另一个关闭。根据计算机系统l的负荷，现在其中所有处理器3都属于具有 高负荷的第一组处理器的这些服务器拒2被连接至冷却剂循环10，而所 有其他的服务器柜2连接至另外的冷却剂循环20。
由于将处理器3分为第一组高负荷的处理器3和第二组低负荷的处理 器3，对于其中所有处理器3以高负荷工作的服务器拒2，出现冷却剂出 口7中的冷却剂的高温度。相应地，在有用循环14中，处于高温度水平 的废热可供使用，而在有用循环24中，提供了较低温度水平的废热。
在有用循环24中的较低温度水平的废热可以用于如下应用在这些 应用中，低的温度已经足够例如用于加热目的或者用于提供热水。在一种 替代的扩展方案中也可以设计的是，丢弃在低的温度水平上聚集的废热， 例如其方式是将这些热量散发到周围空气中。
与此相对，在高的温度水平上提供的废热可以有利地和有效地在有用 循环14中用于如下进程这些进程要求相应高的温度水平，或者其效率 随着升高的温度而提高。这特别是用于驱动热机以发电或者用于驱动吸收 冷却机的热力学循环。通过将工作任务在计算机系统l内分配，可以有利 地与在较低温度7jc平上的废热分离地处理在高的温度水平上出现的废热。
因为将废热转换为其他的、更好地可用的能量形式的效率取决于废热的温 度7jc平，所以通过这种方式可能有效地利用废热。
作为通过调度器4控制阀12和另外的阀22的替代方案，控制也可以 根据每个服务器柜2的冷却剂出口 7 (或者一般地，在计算机系统的每个 子单元的冷却剂出口)的冷却剂温度来进行。
图3示出了计算机系统1的处理器3的冷却装置，该计算机系统同样 适于提供在高的温度水平上的处理器3的废热。
每个处理器3都与热交换器35直接热接触，在该热交换器之前分别 连接有调节阀32。热吸收器35和关联的调节阀32并行地i殳置在冷却剂 循环30中，该冷却剂循环此外还具有冷却剂泵31和热交换器33。通过 热交换器33，冷却剂循环30与有用循环34热耦合。
在处理器3之一上出现的温度由处理器3中所转换的电功率和通过热 吸收器35从处理器3吸收的以及通过冷却剂循环30引走的热量之间的平 衡而得到。调节阀调节通it^目应的关联的热吸收器35的冷却剂的流量， 并且由此影响从处理器3引走的热量。在此，调节阀32通过调节回i^L 据热吸收器35的温度来调节。在此，调节回路例如被设计为使得在预先给定的最低温度之下没有或者仅仅有非常少的冷却剂流量，并且在预先给 定的最高温度情况下实现最大可能的冷却剂流量。通过这种方式，与处理
器3中转换为废热的电功率无关地出现热吸收器35上的温度，该温度处 于预先给定的最低温度和预先给定的最高温度之间。在此有意义的是，预 先给定的最高温度选择为不超过制造商规定的处理器的最高温度，其中在 该最高温度下，处理器既不会受到损坏也不会有增大的故障预期。预先给 定的最低温度可以选择为使得在热交换器33上以及由此在有用循环34 中准备好能够经济有效地利用的温度水平的废热。例如，最低温度可以为 处理器上所允许的最高温度的80% ，其中该百分比说明涉及摄氏度('C ) 表示的温度说明。
热吸收器35在其尺寸和固定元件的位置中优选对应于针对该处理器 的冷却体的处理器制造商的规定。在此，调节阀32可以集成到热吸收器 中，并且例如通过双金属元件iMOfe地根据温度地操作。通过这种方式， 形成用于处理器的紧凑的液体冷却元件，用于执^t才艮据本发明的方法。
替代图3的实施例中所示的调节回路(其中热吸收器35的温度作为 调节的实际值来使用)，温度调节也可以基于处理器3的温度来进行。处 理器的温度通常由处理器本身以数字方式来提供，并且于是能够以简单的 方式用于控制电IMt的调节阀32。
此外可能的是，为了冷却处理器而设置热力学循环，其中在热吸收器 35中直接将工质蒸发，或者其中将蒸发器与热交换器33热耦合。由于液 体的高的蒸发潜热，在蒸发温度之上热吸收器35吸收随着温度跳跃式增 大的热量。通过与温度相关的所吸收热量的高度非线性的走向，实现针对 蒸发温度自我调节的冷却装置。
所示的实施例的特征也可以彼此结合地使用，例如其方式是将图2 中所示的用于分配工作任务的方法与如图3所示的冷却装置结合。
权利要求
1. 一种用于利用带有多个处理器(3)的计算机系统(1)的废热的方法，该方法具有如下步骤-将计算机系统(1)中的工作任务分配给处理器(3)，使得处理器(3)中的第一组处理器(3)以高负荷工作，而处理器(3)中的第二组处理器(3)仅以低负荷工作，以及-将处理器(3)的废热传输给利用废热的装置。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中第一组处理器(3)以大于预先 给定的负荷(A)的负荷工作。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中仅有第一组处理器(3)的 废热传输给利用废热的装置。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中设置另一利用废热的装置，其 中计算机系统(1 )的未将其废热传输给所述利用废热的装置的处理器(3 ) 的废热被传输给所述另 一利用废热的装置。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中与正常工作的 模式中相比，处理器(3)中的第二组处理器(3)以具有较低的电压和/ 或较低的时钟频率的模式工作。
6. —种用于利用带有多个处理器(3)的计算机系统(1)的废热的 方法，该方法具有如下步骤-将处理器(3)的废热通过冷却装置来引走，其中从处理器(3)引 走的各热量被调节为使得处理器(3)具有大于预先给定的最低温度的温 度，以及-将处理器(3)的废热传输给利用废热的装置。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中为了调节从处理器(3)引走的 热量，借助调节阀(32)来调节经过与处理器(3)关联的热吸收器(35) 的冷却剂的流量。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述调节根据热吸收器(35) 的温度来进行。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中所述调节根据处理器(3)的温 度来进行。
10. 根据权利要求6所述的方法，其中处理器(3)的废热通过由工 质流过的蒸发器引走，其中被引走的热量通过由工质吸收的热量和工质蒸 发时蒸发器的温度之间的非线性关系来调节。
11. 根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其中以摄M表 示的最低温度超过处理器(3)所允许的、以摄氏度表示的最高温度的 80 % 。
12. 根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中由计算机系 统(1)的处理器(3)产生的废热至少部分地传输至供暖系统和/或用于 提供热水的系统中。
13. 根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中由计算机系 统(1)的处理器(3)产生的废热至少部分地输送给热力学循环。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中由计算机系统(1)的处理器 (3)产生的废热驱动热机。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中在热力学循环中由计算机系 统(1)的处理器(3 )产生的废热将工质蒸发，并且该工质在蒸汽涡4^机 中在释放机械功的情况下降低压力。
16. 根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中热力学循环 是Kalina循环。
17. 根据权利要求13所述的方法，其中由计算机系统(1)的处理器 (3 )产生的废热驱动吸收冷却机。
18. 根据权利要求13至17中的任一项所述的方法，其中设置了多个 蒸发器用于蒸发工质，所述多个蒸发器分别与至少一个处理器(3)直接 热接触。
19. 根据权利要求13至17中的任一项所述的方法，其中设置了多个 热吸收器(35)，所述多个热吸收器(35)分别与至少一个处理器(3)直 接热接触，并且设置了通过循环的冷却剂与热吸收器热耦合的热交换器(13, 23， 33)，该热交换器与用于蒸发工质的蒸发器直接热接触，并且 其中由处理器(3 )^^放的废热通过热吸收器(35 )、冷却剂和热交换器(13， 23， 33)传输给蒸发器。
20. —种系统，其包括 -带有多个处理器(3)的计算机系统(1),-用于引走至少一部分处理器(3)的废热的冷却装置，以及 -用于利用处理器(3)的废热的装置，其特征在于，所述系统适于实施根据权利要求1至19中的任一项所 述的方法。
全文摘要
本发明公开了一种用于利用带有多个处理器(3)的计算机系统(1)的废热的方法和系统。该方法具有如下步骤将计算机系统(1)中的工作任务分配给处理器(3)，使得处理器(3)中的第一组处理器(3)以高负荷工作，而处理器(3)中的第二组处理器(3)仅以低负荷工作。在另一种方法中，将处理器(3)的废热通过冷却装置来引走，其中从处理器(3)引走的各热量被调节为使得处理器(3)具有大于预先给定的最低温度的温度。在两种情况中，都将处理器(3)的废热传输给用于利用废热的装置。
文档编号F28D15/02GK101430591SQ20081017451
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月5日 优先权日2007年11月6日
发明者克里斯托夫·柯尼希 申请人:富士通西门子电脑股份有限公司