冷却系统和方法与流程

1.本公开总体上涉及一种冷却系统和方法，并且特别地，涉及一种适合用于计算装置的冷却系统和方法。


背景技术：

2.计算装置，诸如服务器，包括各种电组件和装置。在运行期间，电组件有可能产生热，并且需要避免计算装置过热。由于计算装置中复杂且动态的热环境，需要提供一种适合用于计算装置的冷却系统和方法。


技术实现要素：

3.一种冷却系统，包括比例积分微分(pid)控制器和风扇管理器，风扇管理器耦合于pid控制器。pid控制器被配置成连续提供pid冷却值，其中连续pid冷却值以pid时间间隔彼此相间隔。风扇管理器被配置成：如果pid时间间隔大于阈值时间间隔，则生成辅助冷却值。风扇管理器还被配置成在pid时间间期间隔使用辅助冷却值设置风扇速度。
4.根据以上所述的冷却系统，其中风扇管理器还被配置成：如果辅助冷却值大于目标冷却值时，则生成一系列递减的辅助冷却值以在pid时间间隔期间的分别时刻设置风扇速度，其中该pid冷却值之一与一系列递减的辅助冷却值相关联。
5.根据以上任何所述的冷却系统，其中风扇管理器还被配置成：确定候选目标冷却值；选择对应于所选功耗带的一个或者多个过去冷却值；基于所选一个或者多个过去冷却值预测预测冷却值；以及如果预测冷却值大于候选目标冷却值，则将预测冷却值用作目标冷却值。
6.根据以上任何所述的冷却系统，其中候选目标冷却值是接近最近pid冷却值或最近辅助冷却值的值。
7.根据以上任何所述的冷却系统，其中与pid冷却值之一相关联的候选目标冷却值是pid冷却值和与pid冷却值相关联的一系列递减的辅助冷却值中的最小辅助冷却值的平均值。
8.根据以上任何所述的冷却系统，其中预测冷却值是多个过去冷却值中最频繁出现的过去冷却值，其中该多个过去冷却值与所选功耗带相关联。
9.根据以上任何所述的冷却系统，其中一个或者多个过去冷却值通过一个或者多个中的各个过去冷却值与对应的实时范围中的实时冷却值的匹配而确定。
10.根据以上任何所述的冷却系统，其中风扇管理器还被配置成基于对应的pid冷却值确定实时冷却值。
11.一种冷却方法，包括：连续提供比例积分微分(pid)冷却值，其中连续pid冷却值以pid时间间隔彼此相间隔；如果pid时间间隔大于阈值时间间隔，则生成辅助冷却值；以及在pid时间间隔期间使用辅助冷却值设置风扇速度。
12.根据以上任何所述的冷却方法还包括：如果辅助冷却值大于目标冷却值，则生成
一系列递减的辅助冷却值以在pid时间间隔期间的分别时刻设置风扇速度，其中pid冷却值之一与一系列递减的辅助冷却值相关联。
13.根据以上任何所述的冷却方法还包括：确定候选目标冷却值；选择对应于所选功耗带的一个或者多个过去冷却值；基于所选一个或者多个过去冷却值预测预测冷却值；以及如果预测冷却值大于候选目标冷却值，则将预测冷却值用作目标冷却值。
14.根据以上任何所述的冷却方法，其中候选目标冷却值是接近最近pid冷却值或最近辅助冷却值的值。
15.根据以上任何所述的冷却方法，其中与pid冷却值之一相关联的候选目标冷却值是pid冷却值和与pid冷却值相关联的一系列递减的辅助冷却值中的最小辅助冷却值的平均值。
16.根据以上任何所述的冷却方法，其中预测冷却值是多个过去冷却值中最频繁出现的过去冷却值，其中该多个过去冷却值与所选功耗带相关联。
17.根据以上任何所述的冷却方法，其中一个或者多个过去冷却值通过该一个或者多个中的各个过去冷却值与对应的实时范围中的实时冷却值的匹配而确定。
18.根据以上任何所述的冷却方法还包括：基于对应的pid冷却值确定实时冷却值。
附图说明
19.图1是根据一个实施例的冷却系统的示意图。
20.图2是根据一个实施例的冷却方法的示意图。
21.图3是根据本公开的实施例的粒子滤波算法的流程图。
22.图4是确定图3的目标冷却值的示意图。
23.图5示出根据一个实施例设置候选目标冷却值的示例。
24.图6是预测图4的预测冷却值的示意图。
25.图7示出根据一个实施例确定冷却值的实时范围的示例。
26.图8示出确定预测冷却值的示例。
27.图9示出使用常规冷却方法的冷却值的曲线图。
28.图10示出使用根据本公开的一个实施例的冷却方法可获得的冷却值的曲线图。
具体实施方式
29.容易理解，如本文附图中总体描述和示出的，实施例的组件除了本文所描述的示例实施例之外还可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，结合附图所表示的示意性实施例，以下更详细的描述并非旨在限制所要求保护的实施例的范围，而仅是示意性实施例的代表。
30.在整个说明书中，对“一实施例”，“另一实施例”或“一个实施例”(或类似)的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定都指同一实施例。
31.此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合所描述的特征、结构或特性。以下描述中提供了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者在具有其他方法、组件、材料等
的情况下实践各种实施例。在其他情况下，为了避免混淆，一些或全部已知结构、材料或运行可以未示出或详细描述。
32.在本公开中，冷却值可以被称为“cv”，比例积分微分(pid)冷却值可被称为“pid cv”，目标冷却值可以被称为“目标cv”，以及预测冷却值可被称为“预测cv”，等等。此外，在本公开中，“功耗”和“功率使用”可以互换使用。
33.计算装置，例如服务器，包括各种电子组件和装置，例如中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、输入/输出(i/o)系统和/或存储装置。计算装置包括风扇，以促进计算装置的冷却。计算装置还包括具有风扇管理器的冷却系统。风扇的风扇速度由风扇管理器设置。例如，风扇管理器可以被配置成向风扇提供控制信号。控制信号的一个示例是脉冲宽度调制(pwm)信号。pwm信号的pwm占空比确定或设置风扇运行的风扇速度。以下的示例以pwm风扇进行描述，但可以理解，本文描述的冷却系统和方法也可以与其他类型的风扇使用。计算装置中的温度变化通常是复杂的，并且在计算装置的运行期间随时间动态变化。因此，要在任何时候确定足以散热的最有效的风扇速度并不容易。计算装置的冷却系统还包括比例积分微分(pid)控制器。pid控制器可以被配置成考虑各种环境因素，包括来自设置在计算装置中的传感器的温度数据，以及在计算装置的各个部分周围的空气流速等。当环境因素被检测为有改变时，pid控制器被配置成提供更新的pid冷却值。一旦接收到更新的pid冷却值，风扇管理器查找预定表以输出与更新的pid冷却值对应的pwm占空比。换句话说，风扇管理器改变pwm占空比，以改变风扇速度。同时，由于其他因素(例如cpu，gpu，i/o系统或存储装置的工作负载改变)，计算装置中的温度可以随着计算装置的运行而升高或降低。响应于检测到的环境因素的变化和/或响应于pid控制器的输入的变化，pid控制器可以间歇地或以不规则的时间间隔地提供一个接一个的pid冷却值，即连续pid冷却值。实际风扇速度随时间变化的曲线可以出现波动。
34.图1示出适合在计算装置中使用的冷却系统100。冷却系统被配置成执行根据本公开的实施例的粒子滤波(pf)算法。冷却系统包括耦合于风扇管理器的比例积分微分(pid)控制器。pid控制器被配置成提供pid冷却值给风扇管理器，以使得pid冷却值可以用作设置风扇速度的冷却值。pid冷却值可以至少取决于功耗值。pid冷却值可以取决于pid控制器的各种输入。pid控制器可以被配置成响应于pid控制器的一个或者多个输入的变化而提供连续pid冷却值。其中连续的pid冷却值以pid时间间隔彼此相间隔。风扇管理器被配置成：响应于pid时间间隔大于阈值时间间隔，生成辅助冷却值。风扇管理器还被配置成在pid时间间隔期间的一个时刻使用辅助冷却值来设置风扇速度。
35.除了pid控制器生成pid冷却值之外，风扇管理器还生成辅助冷却值。因此，被风扇管理器用来设置脉冲宽度调制(pwm)占空比值的冷却值包括辅助冷却值以及pid冷却值。辅助冷却值可以描述为对pid冷却值的补充，因为辅助冷却值不用于完全替代pid冷却值。除了从pid控制器接收到的pid冷却值之外，风扇管理器还被配置有更多的冷却值。这些附加的冷却值在本公开中被称为辅助冷却值。在风扇管理器从pid控制器接收连续pid冷却值之间，风扇管理器可以使用辅助冷却值来设置风扇速度。风扇管理器在一时间段内使用的冷却值的数据读数可以与pid控制器在同一时间段内输出的pid冷却值的数据读数不同。
36.pid时间间隔指的是由pid控制器提供的两个连续pid冷却值之间的一段时间。pid时间间隔也可以被描述为由pid控制器提供的第一pid冷却值和第二pid冷却值之间的时间
长度。pid时间间隔也可以被描述为pid冷却值和连续pid冷却值之间的时间间隔。参照图3，如果连续pid冷却值之间的pid时间间隔大于阈值时间间隔，则风扇管理器被配置成执行至少一个粒子滤波算法以生成至少一个辅助冷却值(310)。在一示例中，阈值时间间隔是5秒。其他阈值时间间隔可以用于不同的计算装置。
37.风扇管理器被配置成使用一个pid冷却值来生成一系列辅助冷却值。一系列辅助冷却值包括一系列递减的辅助冷却值，其中该系列与pid冷却值相关联。该系列辅助冷却值可包括一个或多个辅助冷却值。例如，可以通过将pid冷却值减小预定步值来生成辅助冷却值(第一辅助冷却值)(330)。在一个示例中，冷却值是归一化值，并且预定步值为1。如果冷却值以瓦特(w)表示，则预定步值可以是1w或另一合适的步值。第一辅助冷却值可以用作设置风扇速度的冷却值(340)。系列中的下一个辅助冷却值可以通过怠速或等待预定的步进时间(335)，然后将冷却值(第一辅助冷却值)再次以预定步值减其值(330)来生成。新的辅助冷却值(系列中的第二辅助冷却值)可以被用作设置风扇速度的新的冷却值(340)。风扇管理器可以被配置成生成一系列逐渐减小的辅助冷却值，以设置风扇速度。风扇管理器被配置成生成辅助冷却值，直到pid控制器提供更新的pid冷却值。每当pid控制器通过提供连续pid冷却值来更新pid冷却值时，风扇管理器将怠速或等待至少等于阈值时间间隔的时间间隔，然后再生成一系列新的辅助冷却值。新系列的辅助冷却值对应于新的pid冷却值或连续pid冷却值。以这种方式，每个系列的辅助冷却值可以与pid冷却值之一相关联或基于某个pid冷却值。
38.风扇管理器被配置成，如果辅助冷却值大于目标冷却值，则生成一系列逐渐减小的辅助冷却值，以在pid时间间隔期间的分别的时刻设置风扇速度。风扇管理器被配置成确定目标冷却值(325)。风扇管理器可以被配置成在辅助冷却值大于目标冷却值的条件下使用辅助冷却值作为冷却值来设置风扇速度(320)。如果发现风扇管理器生成的辅助冷却值等于或小于目标冷却值，则风扇管理器不使用辅助冷却值来设置风扇速度。如果发现风扇管理器生成的辅助冷却值等于或小于目标冷却值，则风扇管理器不生成另一个更小的辅助冷却值。因此，系列中的最后辅助冷却值或最小辅助冷却值至少大于目标冷却值。
39.参照图4，如果目标冷却值尚未确定或未知，则风扇管理器被配置成设置候选目标冷却值(420、430)。根据一个示例，候选目标冷却值可以是接近最近冷却值的值。最近冷却值可以是最近pid冷却值或最近辅助冷却值(420)。最近冷却值可以被描述为最近用于设置风扇速度的冷却值。候选目标冷却值可以是最近冷却值的一部分。在一个示例中，候选目标冷却值可以表示为(当前冷却值)*(裕度)，其中裕度具有约0.8的值。例如，当风扇管理器从pid控制器接收到pid冷却值时，pid冷却值还用作设置风扇速度的最近冷却值或最近使用的冷却值。在这种情况下，风扇管理器将候选目标冷却值设置为pid冷却值的80％。在另一示例中，紧随风扇管理器使用辅助冷却值来设置风扇速度，该辅助冷却值用作当前冷却值，以确定该系列中的下一个辅助冷却值。
40.现在参考图5，其示出确定候选目标冷却值的另一示例。在该示例中，将pid冷却值(511)提供给风扇管理器。基于pid冷却值(511)，风扇管理器生成用于在分别的时刻设置风扇速度的一系列(510)逐渐减小的辅助冷却值(518)。然后，pid控制器提供连续pid冷却值(521)。连续pid冷却值是由pid时间间隔分隔的两个pid冷却值。风扇管理器生成基于pid冷却值之一(521)或与pid冷却值之一(521)相关联的另一系列(520)递减的辅助冷却值
(528)。风扇管理器还被配置成通过使用来自与pid冷却值相关联的系列(510)的冷却值来确定用于连续系列的候选目标冷却值(527)。较早系列(510)的冷却值是基于pid冷却值(511)或与pid冷却值(511)相关联。候选目标冷却值(527)是pid冷却值(与较早系列相关联的pid冷却值)和较早系列(510)中的最小辅助冷却值(517)的平均值。再次参照图4，如果目标冷却值已被确定或已知，与其中之一的pid冷却值(或系列)相关联的候选目标冷却值则是pid冷却值和与该pid冷却值相关联的递减的辅助冷却值的系列中的最小辅助冷却值(最后粒子滤波迭代处的最终冷却值)的平均值(410、430)。
41.再次参考图3和图4，风扇管理器被配置成确定目标冷却值。如果预测冷却值大于候选目标冷却值，则风扇管理器将预测冷却值用作目标冷却值(440、470)。否则，候选目标冷却值被用作目标冷却值(440、460)。目标冷却值可以以此被确定(325)。
42.风扇管理器还被配置成预测预测冷却值(450)。如果预测冷却值大于候选目标冷却值，则风扇管理器被配置成将预测冷却值用作目标冷却值(440、470)。否则，候选目标冷却值被用作目标冷却值(440、460)。
43.为了以图说明，以下参照图6至图9描述被配置成预测预测冷却值的冷却系统和方法的一个实施例。
44.冷却系统可以被配置成将过去冷却值存储在一个或多个存储器装置。“过去冷却值”是指在确定预测冷却值之前提供或生成的冷却值。过去冷却值可以包括pid冷却值或辅助冷却值。冷却系统可以被配置成存储各种类型的过去冷却值，或者存储一种或多种指定类型的过去冷却值。取决于与它们相关联的时间段，过去冷却值可以被称为“历史冷却值”或“实时冷却值”。历史冷却值是指由冷却系统在相对长的时间段，如几个星期、几个月、或多于一年的时间收集的过去冷却值。实时冷却值是指由冷却系统在相对较短的时间段收集的过去冷却值，该相对较短的时间段接近确定预测冷却值的时间。例如，实时冷却值可以在几百秒的实时窗口内被收集。冷却系统可以被配置成分别将历史冷却值以历史数据库的形式存储，并将实时冷却值以实时数据库的形式存储。
45.计算装置的功耗值的运行范围可以划分为多个功耗带。“功耗带”是指功耗值的范围。例如，如果计算装置的最大功耗值是120w，则功耗带可以根据从0w到30w为第一功耗带，从30w到60w为第二功耗带，从60w到90w为第三功耗带，从90w到120w为第四功耗带的形式被界定。如果过去冷却值对应于100w的功耗值，则可以理解的是，功耗值落入第四功耗带，并且过去冷却值可以与第四功耗带相关联。与功耗带相关联的过去冷却值可以以过去冷却值范围中的频率分布的形式被表示。
46.根据一个实施例，选择与所选功耗带相关联并在实时窗口中出现的实时冷却值。所选实时冷却值将覆盖可以以平均值+/-方差值的形式来描述的实时冷却值的实时范围。据此可以确定实时冷却值的实时范围(610)。实施例包括确定与实时范围对应的历史冷却值的对应范围(620)。换言之，通过将历史冷却值的范围与实时冷却值的实时范围匹配来确定过去冷却值的对应范围。预测冷却值的预测可基于一个或多个所选历史冷却值(630)，其中该一个或多个所选历史冷却值落入历史冷却值的对应范围并且与相同的功耗值相关联。例如，通过在过去冷却值的对应范围中选择最频繁出现的过去冷却值以预测预测冷却值，其中过去冷却值与所选功耗带相关联。
47.根据另一个实施例，冷却系统被配置成基于在实时窗口中获得的过去冷却值来预
测预测冷却值(610)，其中过去冷却值与所选功耗带相关联。获得的过去冷却值界定过去冷却值的对应范围(620)。预测冷却值可以是过去冷却值的对应范围中的最大过去冷却值和最小过去冷却值的平均值(630)。可替代地，预测冷却值可以是过去冷却值的对应范围中最频繁出现的过去冷却值(630)。
48.可替代地，可以通过在实时窗口(t1)内出现的实时冷却值来界定过去冷却值的实时范围，实时冷却值与落入功耗值范围(所选功耗带720)内的功耗值相关联。实时范围可以以平均值+/-方差值的形式来表示，或者实时范围可以以上限和下限的形式来表示。如果历史冷却值至少满足以下所有条件，则选择该历史冷却值：(i)历史冷却值与所选功耗带相关联；以及(ii)历史冷却值落入以上限和下限为边界的过去冷却值的对应范围内。所选历史冷却值可以被表示为以上限和下限为边界的频率分布。预测冷却值的预测可基于频率分布。例如，预测冷却值可以是频率分布中最频繁出现的历史冷却值(过去冷却值)。
49.根据又另一个实施例，并且参照图7和图8的示例，冷却系统被配置成存储过去冷却值(710)，每个过去冷却值与所选功耗带相关联(720)。基于从实时窗口获得的存储的过去冷却值，与功耗带相关联的实时冷却值的实时范围可被确定(750)。基于在预定时间段内获得的存储的过去冷却值，与所选功耗带相关联的历史冷却值的历史范围可被确定。与实时窗口相比，预定时间段被设置为相对较长的时间段。实时范围可被映射至历史范围，或实时范围可与历史范围的至少一部分匹配，以界定历史冷却值(过去冷却值)的对应范围(850)。冷却系统还配置有计数器系统，以对历史冷却值的对应范围中的各个过去冷却值的出现次数进行计数(740)。在历史冷却值(过去冷却值870)的对应范围中，出现次数计数(860)最高的历史冷却值(过去冷却值870)被取为预测冷却值(880)。
50.在此示例中，当前时刻的功耗值是70w。风扇管理器被配置成从实时数据库中选择与第三功耗带(720)相关联的实时冷却值。在此示例中，实时冷却值是pid冷却值。基于所选实时冷却值，风扇管理器确定描述所选实时冷却值(610、750)的频率分布(730、740)的实时平均值和实时方差。风扇管理器确定实时pid冷却值的实时范围。换言之，实时范围750由当功耗在60w与90w之间时在实时窗口t1内出现的实时冷却值的上限和实时冷却值的下限来界定。该示例中，对应的历史范围850包括下限冷却值3和上限冷却值7。在此对应范围内，具有最高出现频率的历史冷却值(860)为冷却值3(870)。因此，选择冷却值3用作预测冷却值(880)。在与第三功耗带相关联的历史冷却值中，可以存在具有更高出现频率的其他历史冷却值，例如，冷却值2。但是，预测冷却值的预测不基于冷却值2，因为它不在对应范围内。
51.再次参考图3和图4，如果预测冷却值大于候选目标冷却值(440、470)，则可以将预测冷却值用作目标冷却值。否则，如果预测冷却值不大于候选目标冷却值，则将候选目标冷却值用作目标冷却值。在确定目标冷却值之后，如果冷却值大于目标冷却值时，则冷却值用于设定风扇速度(320、340)。
52.图9示出仅依靠pid控制器来设置风扇速度的计算装置的随时间的冷却值的图表。图10示出根据本公开实施例的计算装置的随时间的冷却值的图表。可以理解，图10的计算装置达到稳态值或期望的冷却值(冷却值b)较之图9的计算装置达到稳态值或期望的冷却值(冷却值a)显著地早。图10的计算装置能够具有更高的能源效率和总体成本节省。一些实验中发现图10的计算装置冷却系统达到期望的冷却值所需的时间少于图9的计算装置冷却系统所需的时间的三分之一(t3＞3*t4)。对应的功率效率提高估计约10％。
53.如本文中所使用的，单数“一”和“一个”可以被解释为包括复数“一个或多个”，除非另外明确指出。
54.已经出于说明和描述的目的描述本公开，但是并不旨在穷举或限制。对于本领域普通技术人员而言，许多修改和变化将是显而易见的。已经选择并描述了示例实施例，以解释原理和实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解具有各种修改的各种实施例的公开内容适合于预期的特定用途。
55.因此，尽管这里已经参照附图描述了说明性的示例实施例，但是应当理解，本描述不是限制性的，并且本领域的普通技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下在其中进行各种其他改变和修改。