第 1 世代インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサー・ファミリーの熱管理

4 ウェイまたは 8 ウェイのマルチプロセッシングを目的とした インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの熱管理ソリューションは、マザーボードとシャーシのメーカーに固有のものです。ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサー製品はすべて、以下を構成済みキットとして販売されています。

• サーマル・ソリューション
• マザーボード
• シャシ
• 電源

温度管理の仕様については、システムの製造元または インテル® Xeon® プロセッサーのデータシートを参照してください。プロセッサー風洞 (PWT) は、汎用サーバー (2U 以上) インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーでの使用のみを目的としており、インテル Xeon プロセッサー MP や 1U ラックマウント・サーバー向け インテル Xeon プロセッサーではありません。

インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーを使用するシステムには、温度管理が必要です。このドキュメントは、システムの動作、統合、および温度管理に関する一般的な知識と経験があることを前提としています。提示された推奨事項に従うインテグレーターは、より信頼性の高いシステムを顧客に提供することができ、熱管理の問題で戻ってくる顧客が少なくなります。(ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーという用語は、システム・インテグレーターが使用するためにパッケージ化されたプロセッサーを指します。)

インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサー搭載システムの熱管理は、システムのパフォーマンスとノイズレベルの両方に影響を与える可能性があります。インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーは、シリコンが仕様以上で動作する時間帯にサーマルモニター機能を利用してプロセッサーを保護します。適切に設計されたシステムでは、サーマルモニター機能が有効になることはありません。この機能は、周囲温度が通常より高い場合や、システム・サーマル・マネジメント・コンポーネント (システム・ファンなど) の障害など、異常な状況に対する保護を提供することを目的としています。サーマル・モニター機能がアクティブな間は、システムのパフォーマンスが通常のピーク・パフォーマンス・レベルを下回ることがあります。インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーがサーマル・モニターのアクティブ状態にならないように、十分に低い内部温度を維持するようにシステムを設計することが重要です。サーマルモニター機能に関する情報は、 インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーのデータシートに記載されています。

さらに、インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサー・ヒートシンクは、高品質のファンを含むプロセッサー風洞 (PWT) と呼ばれるアクティブ・ダクト・ソリューションを使用しています。このプロセッサー・ファンは一定の速度で動作します。このダクトは、周囲温度が仕様の最大値未満に維持されている限り、プロセッサーのヒートシンク全体に十分なエアーフローを提供します。

指定された最大動作温度を超える温度でプロセッサーを動作させると、プロセッサーの寿命が短くなり、動作の信頼性が低下する可能性があります。プロセッサーの温度仕様を満たすことは、最終的にはシステム・インテグレーターの責任となります。インテル Xeonプロセッサーを使用して高品質のシステムを構築する際には、システムの熱管理を慎重に検討し、熱テストによってシステム設計を検証することが不可欠です。この文書では、インテル Xeon プロセッサーの温度要件について詳しく説明します。インテル Xeon プロセッサーを使用しているシステム・インテグレーターは、このドキュメントに精通している必要があります。

適切な 温度管理 は、プロセッサーに適切に取り付けられたヒートシンクと、システムシャーシを通る効果的なエアフローという 2 つの主要な要素に依存します。温度管理の最終的な目標は、プロセッサーを最大動作温度以下に保つことです。

プロセッサーからシステムの空気に熱が伝わり、システムから排出されるときに、適切な温度管理が達成されます。ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーには、ヒートシンクと PWT が同梱されており、プロセッサーの熱をシステムの空気に効果的に伝達することができます。適切なシステムエアフローを確保するのは、システムインテグレーターの責任です。トレイ版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーには、ヒートシンクと PWT が同梱されていません。適切なシステム・エアフローを確保するのはシステム・インテグレーターの責任となります。

危うい： 付属のサーマル・インターフェイス・マテリアルを適切に塗布せずにボックス版プロセッサーを使用すると、ボックス版プロセッサーの保証が無効になり、プロセッサーに損傷を与える可能性があります。ボックス版プロセッサーのマニュアルおよび取り付けの概要に記載されている取り付け手順に従ってください。

プロセッサー風洞のファンは、良好な局所的な空気の流れを提供する高品質のボールベアリングファンです。この空気流がヒートシンクからシステム内の空気に熱を伝達します。ただし、熱をシステムの空気に移動することは、タスクの半分にすぎません。空気を排出するためにも十分なシステムエアフローが必要です。システムに安定した空気が流れないと、ファンのヒートシンクから暖かい空気が再循環するため、プロセッサーを十分に冷却できない場合があります。

システムのエアフローを決定する要因は次のとおりです。

• シャーシ設計
• シャーシのサイズ
• シャーシの吸気口と排気口の位置
• 電源ファンの容量とベント
• プロセッサー・スロットの位置
• アドインカードとケーブルの配置

システム・インテグレーターは、ヒートシンクが効果的に機能するように、システム内の十分なエアフローを確保する必要があります。サブアセンブリを選択してシステムを構築する際には、空気の流れに適切に注意を払うことが、優れた熱管理と信頼性の高いシステム動作にとって重要です。

インテグレーターは、サーバーとワークステーション向けに、ATX バリエーションと旧式のサーバー AT フォームファクターという 2 つの基本的なマザーボード・シャーシ電源フォームファクターを使用します。冷却や電圧への配慮から、ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーには ATX フォームファクターのマザーボードとシャーシの使用を推奨しています。

サーバー AT フォームファクターのマザーボードは、効果的な熱管理のために標準化されていない設計であるため、推奨いたしません。ただし、Server AT フォームファクターのマザーボード専用に設計された一部のシャーシでは、効率的な冷却が可能です。

以下は、システムを統合するときに使用するガイドラインのリストです。

• シャーシの通気口は機能し、数量が過剰であってはなりません。 インテグレーターは、表面的な通気口のみを含むシャーシを選択しないように注意する必要があります。化粧品の通気口は、空気の流れを可能にするように見えますが、実際には空気の流れはほとんどまたはまったく存在しません。過度の通気孔のあるシャーシも避けてください。この場合、プロセッサーやその他のコンポーネント上を流れる空気はほとんどありません。ATX シャーシには、I/O シールドが存在している必要があります。そうしないと、I/O開口部が過度の通気を提供する可能性があります。
  
• 通気口は適切に配置する必要があります。 システムには、吸気口と排気口が適切に配置されている必要があります。吸気口に最適な位置は、空気がシャーシに入り、プロセッサー上を直接流れることです。排気口は、空気が出る前に、さまざまなコンポーネントを越えてシステムを通る経路を流れるように配置する必要があります。通気口の具体的な位置はシャーシによって異なります。ATX システムの場合、排気口はシャーシの前下部と背面下部の両方に配置する必要があります。また、ATX システムの場合、シャーシが設計どおりに空気を排出できるように、I/O シールドが存在する必要があります。I/O シールドがないと、シャーシ内の適切なエアフローまたは循環が妨げられる可能性があります。
  
• 電源のエアフロー方向: 適切な方向に空気を排出するファンを備えた電源装置を選択することが重要です。一部の電源装置には、エアーフローの方向を示すマーキングがあります。
  
• 電源ファンの強度: PC の電源にはファンが搭載されています。プロセッサーの動作温度が高すぎるシャーシの場合、ファンの強い電源装置に変更することでエアフローを大幅に改善できます。
  
• 電源の換気: 多くの空気が電源ユニットを流れるため、十分に通気しないと大きな制限になる可能性があります。大きな通気口のある電源ユニットを選択してください。電源ファン用のワイヤーフィンガーガードは、電源ユニットの板金ケーシングに刻印された開口部よりもはるかに少ない通気抵抗を提供します。
  
• システムファン - 使用すべきですか? シャーシによっては、エアーフローを容易にするために、電源装置ファンに加えてシステムファンが搭載されている場合もあります。システムファンは通常、パッシブヒートシンクとともに使用されます。状況によっては、システムファンによってシステムの冷却が改善されることがあります。システムファンありとファンなしの両方で温度テストを行うことで、特定のシャーシに最適な構成が明らかになります。
  
• システムファンの気流の方向: システムファンを使用する場合は、システム全体の空気の流れと同じ方向に空気が吸い込まれていることを確認してください。例えば、ATX システムのシステムファンは排気ファンとして機能し、システム内から背面または前面のシャーシの通気口から空気を引き出します。
  
• ホットスポットからの保護: システムには強力なエアフローがあるにもかかわらず、 ホットスポットが含まれている場合があります。ホットスポットとは、シャーシ内の他の空気よりも大幅に暖かい領域です。排気ファン、アダプターカード、ケーブル、またはシャーシブラケットとサブアセンブリの位置が不適切で、システム内の空気の流れが妨げられると、このような領域が作成される可能性があります。ホットスポットを回避するには、必要に応じて排気ファンを配置し、フルレングスのアダプタカードの位置を変えるか、ハーフレングスカードを使用し、ケーブルを配線し直して結び付け、プロセッサーの周囲と上部にスペースを確保します。

マザーボード、電源装置、アドイン周辺機器、シャーシの違いはすべて、システムおよびそれらを実行するプロセッサーの動作温度に影響します。マザーボードやシャーシの新しいサプライヤーを選ぶとき、または新しい製品を使い始めるときには、サーマルテストを強くお勧めします。サーマル・テストでは、特定のシャーシ、電源、マザーボード構成がボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーに十分なエアフローを提供しているかどうかを判断できます。インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサー搭載システムに最適なサーマル・ソリューションを見つけるには、マザーボードの製造元に問い合わせてシャーシとファンの構成に関する推奨事項を確認してください。

温度センサーと温度リファレンス・バイト
インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーには、独自のシステム管理機能があります。その 1 つに、既知の最大設定に対するプロセッサーのコア温度の監視機能があります。プロセッサーの温度センサーは、現在のプロセッサー温度を出力し、システム・マネジメント・バス (SMBUS) を介してアドレス指定できます。 サーマルバイト (8ビット)の情報は、いつでも温度センサーから読み取ることができます。サーマルバイトの粒度は 1°C です。 次に、温度センサーからの読み取り値が温度リファレンス・バイトと比較されます。

サーマル・リファレンス・バイトは、SMBus のプロセッサー情報 ROM からも入手できます。この 8 ビットの数値は、プロセッサーの製造時に記録されます。サーマル・リファレンス・バイトには、プロセッサーに最大の熱仕様まで負荷がかかったときの温度センサーの読み取り値に対応する、事前にプログラムされた値が含まれています。したがって、温度センサーからのサーマルバイトの読み取り値がサーマル・リファレンス・バイトを超えると、プロセッサーは仕様で許可されているよりも高温で動作します。

フル構成のシステムでは、各プロセッサーに負荷をかけ、各プロセッサーの温度センサーを読み取り、それを各プロセッサーの温度基準バイトと比較して、温度仕様の範囲内で動作しているかどうかを判断することで、温度テストを実行できます。温度センサーと温度リファレンス・バイトの両方を読み取るには、SMBus から情報を読み取ることができるソフトウェアが必要です。

熱試験手順
熱試験の手順は次のとおりです。

1. テスト中に最大の電力消費を確保するには、システムの自動電源オフモードまたはグリーン機能を無効にする必要があります。これらの機能は、システム BIOS 内またはオペレーティング・システム・ドライバーによって制御されます。
   
2. 正確な温度計または熱電対と熱計の組み合わせのいずれかを使用して、室温を記録する方法を設定します。
   
3. ワークステーションまたはサーバーの電源を入れます。システムが正しく組み立てられ、プロセッサーが正しく取り付けられ、装着されている場合、システムは目的のオペレーティング・システム (OS) で起動します。
   
4. 熱ストレスの多いアプリケーションを起動。
   
5. プログラムを 40 分間実行します。これにより、システム全体が熱くなり、安定します。次の 20 分間、5 分に 1 回、各プロセッサーの温度センサーの読み取り値を 記録 します。1時間の終わりに室温 を記録 します。

室温を記録した後、システムの電源を切ります。シャーシカバーを取り外します。システムを 15 分以上冷まします。

温度センサーから取得した 4 つの測定値のうち最も高い値を使用して、次のセクションの手順に従って、システムの熱管理を検証します。

システムの熱管理ソリューションを検証する計算
本項では、システムがプロセッサーを最大動作範囲内に保ちながら、最大動作温度で動作可能かどうかを判断する方法について説明します。このプロセスの結果は、より信頼性の高いシステムを実現するために、システムの気流を改善する必要があるか、またはシステムの最大動作温度を変更する必要があるかを示します。

最初のステップは、システムの最高手術室温度を選択することです。エアコンが利用できないシステムの一般的な値は40°Cです。 この温度は、インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサー搭載プラットフォームで推奨される最大外部温度を超えていますが、使用するシャーシが 45°C のファン吸気温度の仕様を超えていない場合は使用できます。エアコンが利用可能なシステムの一般的な値は35°Cです。 顧客に適した値を選択します。この値を以下の A 行目に書き込みます。

テスト後に記録された室温を下のB行に書き込みます。行AからB行を引き、結果を行Cに書き込みます。この差は、テストがシステムの最大動作温度よりも低い部屋で実施された可能性が高いという事実を補います。

A. _________ (最大使用温度、通常 35°C または 40°C)

B.-_______試験終了時の室温°C

C. _________

下の行Dに温度計から記録された最高温度を書きます。以下の行Cから行Eに番号をコピーします。行Dと行Eを追加し、行Fに合計を書きます。この数値は、同様に熱負荷の高いアプリケーションを実行して、システムが指定された最大動作室温で使用されたときのプロセッサー・コアの最大熱センサー読み取り値を示します。この値は、サーマル・リファレンス・バイト値より低くなければなりません。サーマル・リファレンス・バイトの読み取り値をG行目に書き込みます。

D. _________ 温度センサーからの最大読み取り値

E. + _______ 上記のラインCからの最大動作温度調整

F. _________ 最悪の室温での最高温度センサーの読み取り値

G. _________サーマル・リファレンス・バイトの読み取り

プロセッサーは、指定された最大動作温度より高い温度で動作しないでください。そうしないと障害が発生する可能性があります。ボックス版プロセッサーは、温度センサーの読み取り値が常に熱基準バイト未満であれば、熱仕様の範囲内に留まります。

行 F でプロセッサー・コアが最高温度を超えたことが明らかになった場合は、対処が必要です。システムの気流を大幅に改善するか、システムの最高動作室温を下げる必要があります。

行 F の数値がサーマル・リファレンス・バイト以下の場合、システムが最も暖かい環境で動作していても、システムは同様の熱ストレスの多い条件下でボックス版プロセッサーを仕様内に維持します。

要約すると:
行 F の値が熱基準バイトより大きい場合、次の 2 つのオプションがあります。

1. システムのエアフローを改善して、プロセッサーのファン吸気口の温度を下げます (前述の推奨事項に従ってください)。その後、システムを再テストします。
   
2. システムの最大動作室温を低く設定してください。お客様とシステムの典型的な環境を念頭に置いてください。

テストのヒント
不要な温度テストの必要性を減らすには、次のヒントを参考にしてください。

1. 複数のプロセッサー速度をサポートするシステムをテストする場合は、最も電力を発生するプロセッサーを使用してテストしてください。最も電力を消費するプロセッサーは、最も多くの熱を発生します。マザーボードがサポートする最も暖かいプロセッサーをテストすることで、同じマザーボードとシャーシ構成で発熱量の少ないプロセッサーで追加のテストを行う必要がなくなります。
   
   消費電力はプロセッサー速度およびシリコンのステッピングによって異なります。システムの温度テストに適したプロセッサーを確実に選択するために、ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーの消費電力の数値については表 1 を参照してください。ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーには、通常 S という文字から始まる 5 桁のテスト仕様番号が付いています。
2. 以下の条件がすべて満たされている場合、新しいマザーボードでのサーマル・チェックアウトは不要です。
   • 新しいマザーボードは、同様のマザーボードで動作する以前にテストされたシャーシで使用されます
   • 前回のテストでは、適切なエアフローを提供する構成が示されました
   • プロセッサーが両方のマザーボードのほぼ同じ場所に配置されていること
   • 新しいマザーボードでは、同じかそれ以下の消費電力のプロセッサーを使用します。
3. ほとんどのシステムは、その存続期間中にアップグレードされます (追加の RAM、アダプターカード、ドライブなど)。インテグレーターは、アップグレードされたシステムをシミュレートするために、いくつかの拡張カードが取り付けられたシステムをテストする必要があります。高負荷のシステムで適切に機能する熱管理ソリューションは、軽負荷の構成に対して再テストする必要はありません。

インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーのデータシート (表 1 にも記載) には、さまざまな動作周波数でのインテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーの消費電力が記載されています。インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーの場合、利用可能な最大周波数のプロセッサーは、低い周波数よりも多くの電力を消費します。多くの動作周波数に対応するシステムを構築する場合、最も電力を消費できるため、サポートされる最高周波数のプロセッサーを使用してテストを実施する必要があります。システム・インテグレーターは、熱電対を使用して温度テストを実行し、プロセッサーのインテグレーテッド・ヒート・スプレッダーの温度を確認できます (詳細は、 インテル® Xeon®・スケーラブル・プロセッサーのデータシートを参照してください)。

ファン・ヒートシンクに流入する空気の温度を簡単に評価することで、システムの熱管理に信頼性を持たせることができます。インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの場合、テストポイントはファンハブの中央、ファンの約 0.3 インチ手前です。テストデータを評価することで、システムがボックス版プロセッサーに対して十分な熱管理を備えているかどうかを判断できます。システムの最大予想外部周囲条件 (通常は 35°C) での最高予想温度は 45°C である必要があります。

表 1: インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの温度仕様 ^1,3

システム・インテグレーターは、インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーをサポートするように特別に設計された ATX シャーシを使用する必要があります。インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーをサポートするために特別に設計されたシャーシには、熱性能の向上に加えて、プロセッサーの適切な機械的および電気的サポートが付属しています。インテルは、対応のサードパーティー製ボードを使用して、インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーでの使用をシャーシテストしました。この温度テストに合格したシャーシは、評価するシャーシを決定するための出発点をシステム・インテグレーターに提供します。