インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの熱管理

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、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ており、マザーボードとシャーシのメーカーに固有です。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、構成済みのキットとして販売されます。

• サーマル・ソリューション
• マザーボード
• シャーシ
• 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。プロセッサーの風洞 (PWT) は、インテル Xeon プロセッサー MP または 1U ラックマウント・サーバー用のインテル Xeon・プロセッサーではなく、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を前提としています。

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では、熱管理が必要です。このドキュメントでは、システムの運用、統合、温度管理に関する一般的な知識と経験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お客様に提供することができ、熱管理の問題で戻ってくるお客様は減ります。(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、サーマル・モニター機能を使用して、シリコンが仕様以上に動作する場合に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アクティブになることはありません。この機能は、通常の外気温やシステムファンなどのシステム温度管理コンポーネントの故障など、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性能レベルを下回る場合があります。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入らないように、システムは内部周囲温度を十分に低く維持するように設計することが重要です。サーマル・モニター機能の情報は、 インテル® Xeon®・スケーラブル・プロセッサー・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・Wind Tunnel (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、周囲温度が最高仕様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適切なエアフローを提供します。

プロセッサーが規定の最大動作温度を超える温度で動作するようにすると、プロセッサーの寿命が短くなり、信頼できない動作を引き起こす可能性があります。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です。インテル Xeon プロセッサーを使用して品質システムを構築する場合、システムの熱管理を慎重に検討し、サーマルテストを使用してシステム設計を検証することが不可欠です。このドキュメントでは、インテル Xeon プロセッサーの熱に関する具体的な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するシステム・インテグレーターは、このドキュメントをよく理解しておく必要があります。

適切な 熱管理 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 つの重要な要素に依存します。熱管理の最終的な目標は、プロセッサーを最高動作温度以下に維持することです。

プロセッサーからシステムの空気に熱が伝達され、システムから排出される場合に、適切な熱管理が実現されます。ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーは、ヒートシンクと PWT を備えて出荷され、プロセッサーの熱を効果的にシステムの空気に伝達することができます。適切なシステムのエアフローを確保することは、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・プロセッサーは、ヒートシンクと PWT を同梱していません。適切なシステムのエアフローを確保することは、システム・インテグレーターの責任です。

重要： 同梱されているサーマル・インターフェイス・マテリアルを適切に適用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。必ずボックス版プロセッサーのマニュアルに記載されているインストール手順と統合の概要に従ってください。

プロセッサーの風洞ファンは、優れたローカル空気流を提供する高品質のボールベアリングファンです。この空気流は、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させる作業は半分の作業に過ぎません。また、排気には十分なシステムエアフローが必要です。システムを通して安定した空気の流れがなければ、ファン・ヒートシンクは暖かい空気を再循環するため、プロセッサーを適切に冷却しない可能性があります。

システムの空気流量を決定する要因は次のとおりです。

• シャーシ・デザイン
• シャーシサイズ
• シャーシの吸気口と排気口の位置
• 電源ファンの容量とガス抜き
• 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、ヒートシンクを効果的に動作させるために、システムを通過する適切なエアフローを確保する必要があります。サブアセンブリや建物システムを選択する際のエアフローには十分な注意が必要であり、優れた熱管理と信頼性の高いシステム運用が重要です。

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 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 (ATX バリエーションと旧型のサーバー AT フォームファクター) を使用しています。冷却と電圧に関する考慮事項のため、インテルは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を使用することを推奨します。

インテル® サーバー AT フォームファクターのマザーボードは、このような設計は効果的な熱管理のために標準化されていないため、推奨されません。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シャーシによっては、効率的な冷却が可能な場合があります。

以下は、システムの統合に使用するガイドラインのリストです。

• シャーシの通気孔は機能的で、過剰な量ではない必要があります。 インテグレーターは、化粧品の通気孔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。化粧品の通気孔は、空気の流れを許可するかのように見えるように設計されていますが、実際には空気の流れがほとんどまたは全く存在しません。また、換気口が過剰なシャーシは避けるべきです。この場合、プロセッサーやその他のコンポーネントに空気がほとんど流れてこない。ATX シャーシには、I/O シールドが存在する必要があります。それ以外の場合、I/O 開口部が過剰な換気を提供する可能性があります。
  
• 通気孔が適切に設置されている必要があります。 システムは吸気口と排気口を適切に配置している必要があります。吸気に最適な場所により、シャーシに空気が入り、直接プロセッサーに流れます。排気口は、排気口を出る前に、システムを通過する経路にさまざまなコンポーネントを通って空気が流れ出るように配置する必要があります。排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背面下部と背面の両方に配置する必要があります。また、ATX システムでは、シャーシが設計通り空気を排出できるように I/O シールドが必要です。I/O シールドがない場合、シャーシ内の適切なエアフローや循環が妨げられます。
  
• 電源の空気流量の方向: 適切な方向に空気を排気するファンを備えた電源を選択することが重要です。電源装置によっては、エアフロー方向に関するマーキングが付いています。
  
• 電源ファン強度: PC 電源にはファンが含まれています。プロセッサーが暖かく動作しているシャーシによっては、ファンを強化した電源に切り替えることで、エアフローが大幅に改善されます。
  
• 電源ガス抜き: 電源装置のユニットには多くの空気が流れ、換気がうまく行かないと大きな制限になる可能性があります。大きな通風口を備えた電源ユニットを選択してください。電源装置ファン用ワイヤーフィンガーガードは、電源装置ユニットの板金ケーシングに押し込まれた開口部よりも、空気抵抗がはるかに少ない。
  
• システムファン - 使用する必要がありますか? シャーシによっては、エアフローを促進するためにシステムファン (電源ファンに加えて) が搭載されている場合があります。システムファンは通常、パッシブ・ヒートシンクと一緒に使用されます。状況によっては、システムファンがシステム冷却を改善します。システムファンとファンなしの両方でサーマルテストを実施すると、特定のシャーシに最適な構成が明らかになります。
  
• システムファンの空気流量の方向: システムファンを使用する際は、システム全体のエアフローと同じ方向に空気を引き込みます。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、システム内からリアまたはフロントシャーシの通風口から空気を引き出します。
  
• ホットスポットから保護: システムのエアフローは強いが、ホットスポットが残っている可能性 があります。ホットスポットは、シャーシ内のその他の空気よりも著しく暖かい領域です。排気ファン、アダプターカード、ケーブル、シャーシブラケットやサブアセンブリの位置が正しく配置されていないと、システム内のエアフローが妨げられます。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ーカードの位置を変更するか、ハーフレングスのカードを使用し、ケーブルを配線し直し、プロセッサーの周りと上にスペースを確保してください。

マザーボード、電源、アドイン周辺機器、シャーシの違いにより、システムと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。サーマル・テストは、マザーボードやシャーシの新しいサプライヤーを選択する場合、または新製品の使用を開始する際に強く推奨されます。サーマル・テストにより、特定のシャーシ電源と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・プロセッサーに適切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・ソリューションの決定を開始するには、マザーボードのベンダーに問い合わせてシャーシおよびファン構成に関する推奨事項を確認してください。

熱センサーと熱参照バイト
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 つは、既知の最大設定に対してプロセッサーのコア温度を監視できることです。プロセッサーの熱センサーは現在のプロセッサーの温度を出力し、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、サーマル・センサーからいつでも読み取ることができます。サーマル・バイト単位は 1°C です。 熱センサーからの読み取り値は、熱参照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 からも利用できます。この 8 ビット番号は、プロセッサーの製造時に記録されます。熱参照バイトには、プロセッサーが最大熱仕様に負荷を与えた場合の熱センサーの読み取り値に対応する、事前プログラムされた値が含まれます。このため、サーマル・センサーからの熱バイト読み取りがサーマル・リファレンス・バイトを超えた場合、プロセッサーは仕様が許可するよりも熱く動作しています。

完全に構成されたシステムの各プロセッサーに負荷を加え、各プロセッサーの熱センサーを読み取り、各プロセッサーの熱基準バイトと比較して、熱仕様内で動作しているかどうかを判断して、熱テストを行うことができます。温度センサーと熱リファレンス・バイトの両方を読み取るために、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。

サーマル・テスト手順
サーマルテストの手順は次のとおりです。

1. テスト中に最大消費電力を確保するには、システムの自動パワーダウン・モードまたは 緑色の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 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メーターの組み合わせで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。システムが適切に組み立てられ、プロセッサーが正しく取り付けて取り付けられている場合、システムは目的のオペレーティング・システム (OS) を起動します。
   
4. 熱的に負荷の高いアプリケーションを起動します。
   
5. プログラムの 40 分間実行を許可します。これにより、システム全体が加熱し、安定することができます。5 分に 1 回、各プロセッサーの熱センサーの測定値を次の 20 分間記録します。1時間の終了時に室温を記録します。

室温を記録した後、システムの電源を落とします。シャーシカバーを取り外します。システムの冷却時間を少なくとも 15 分以上に設定します。

熱センサーから取られた 4 つの測定値のうち最高値を使用して、以下のセクションの手順に従ってシステムの熱管理を確認します。

システムの熱管理ソリューションを検証するための計算
このセクションでは、プロセッサーを最大動作範囲内に保ちながら、システムが最高動作温度で動作できるかどうかを判断する方法を説明します。このプロセスの結果は、システムの信頼性を高めるためにシステムのエアフローを改善する必要があるか、システムの最大動作温度を改訂する必要があるかを示しています。

最初のステップは、システムの最大動作室温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ますが、使用するシャーシが 45°C のファン入口温度仕様を超えない場合に使用できます。エアコンが利用可能なシステムに共通する価値は、35°C です。 お客様に最適な価値を選択してください。以下の A 行にこの値を書き込みます。

下のラインBでテストした後に記録された室温を書きます。A 行目から B 行目を減算し、結果を C 行目に書き込みます。この差は、テストがシステムの最大動作温度よりも涼しい部屋で行われた可能性があるという事実を補償します。

A. _______ (最大動作温度、通常 35° C または 40° C)

B. - ______ 試験終了時の室温 ° C

C。_________

温度メーターから記録された最高温度を以下のライン D に書き込みます。下の C 行目から E 行目に番号をコピーします。D 行と E 行目を追加し、合計を F 行目に書き込みます。この数値は、同様に熱的に負荷の高いアプリケーションを実行し、指定された最大動作室温でシステムを使用する場合、プロセッサー・コアの最大熱センサー読み取り値を表します。この値は、サーマル・リファレンス・バイトの値より下になければなりません。G 行目の熱参照バイト読み取りを書き込みます。

D. _______ サーマル・センサーからの最大読み取り値

E. + ______ 動作温度の調整は上記の C 行目から行います。

F. _______ Max. 温度センサーの読み取り値が最悪の場合、周辺環境の最悪のケース

G. _______ サーマル・リファレンス・バイト読み取り

プロセッサーは、指定された最大動作温度以上の温度で実行しないでください。またはエラー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、熱センサーの測定値が常に熱参照バイト未満の場合、熱仕様内にとどまります。

F 行目でプロセッサー・コアが最高温度を超えたと判明した場合、動作が必要です。システムのエアフローを大幅に改善するか、システムの最大動作室内温度を下げる必要があります。

F 行目の数値が Thermal Reference Byte 以下の場合、システムが最も暖かい環境で動作している場合でも、システムは同様の熱ストレスの条件の下でボックス版プロセッサーを仕様の範囲内に維持します。

要約すると、
F 行目の値が熱参照バイトより大きい場合、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の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)。次に、システムを再テストします。
   
2. システムの最大動作室温度を低く設定します。お客様とシステムの一般的な環境に留意してください。

テストのヒント
以下のヒントを活用して、不要なサーマル・テストの必要性を減らしてください。

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、最大限の消費電力を生成するプロセッサーを使用してテストしてください。最大限の電力を消費するプロセッサーは、最も熱を発生させます。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が少ないプロセッサーでの追加テストを回避できます。
   
   電力散逸は、プロセッサーの速度とシリコンステッピングによって異なります。システムのサーマル・テストに適したプロセッサーを選択するには、ボックス版インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーの電力散逸数については表 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・プロセッサーは、通常 S の文字から始まる 5 桁のテスト仕様番号でマークされています。
2. 以下のすべての条件を満たす場合、新しいマザーボードによるサーマル・チェックアウトは必要ありません。
   • 新しいマザーボードは、同様のマザーボードで動作していた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。
   • プロセッサーは、両方のマザーボード上のほぼ同じ場所に配置されています。
   • 同じまたはより低い電力散逸のプロセッサーが新しいマザーボードに使用されます
3. ほとんどのシステムは、耐用年数内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、一部の拡張カードが取り付けられているシステムをテストする必要があります。負荷の高いシステムで正常に動作する熱管理ソリューションは、軽負荷の構成につい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・データシート (表 1 にも記載) は、インテル® Xeon®スケーラブル・プロセッサーの電力消費をさまざまな動作周波数で示しています。インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの場合、利用可能な最高周波数のプロセッサーは、低周波数よりも多くの電力を消費します。多くの動作周波数を持つシステムを構築する場合、サポートされている最高周波数のプロセッサーを使用してテストを実行する必要があります。システム・インテグレーターは、熱電対を使用して熱テストを実行して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決定できます (詳細については 、インテル® Xeon®・スケーラブル・プロセッサー・データシート を参照してください)。

ファン・ヒートシンクに入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自信を持つことができます。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にあり、ファンの前には約 0.3 インチです。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行っているかどうかを判断できます。システムは、想定される最大外部環境条件 (通常 35°C) で 45°C の最大期待温度を備える必要があります。

表 1: インテル® Xeon® スケーラブル・プロセッサーの熱仕様 ^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ように特別に設計されたシャーシには、熱パフォーマンスの向上に加え、プロセッサーに対する適切な機械的および電気的サポートが付属します。インテルは、対応する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・プロセッサーで使用するためのシャーシをテストしました。このサーマル・テストに合格したシャーシは、システム・インテグレーターに、どのシャーシを評価するかを決定する出発点を提供します。