KR102449125B1 - Gpu 서버 냉각관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본발명은 GPU 서버 냉각관리 시스템에 관한 것으로, GPU 서버의 발열을 방지하기 위한 수냉식 냉각 시스템으로서, 냉각 라지에이터, 냉각수 탱크, 펌프로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 GPU 서버 냉각 시스템은 워터 블럭이 GPU 및 VRAM 칩에서 발생한 열을 냉각수에 전달하고 데워진 냉각수는 냉각수 펌프에 의해 라디에이터로 이동하여 식혀지게 되는 것으로,
그러므로 본발명의 GPU 서버 냉각 시스템은 구조가 간단하며, 냉각효율이 높아져 GPU서버의 발열을 줄여주는 기능을 하며, 기존 서버인 CPU 냉각 시스템으로도 활용이 가능한 현저한 효과가 있다.

Description

GPU 서버 냉각관리 시스템{GPU server cooling management system}

본발명은 GPU 서버 냉각관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조가 간단하며, 냉각효율이 높아져 GPU서버의 발열을 줄여주는 기능을 하며, 기존 서버인 CPU 냉각 시스템으로도 활용이 가능한 GPU 서버 냉각관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 상온에서 공기보다 물의 밀도와 비열이 크고 열전도율이 높아 더 많은 양의 열을 더 빠르게 흡수하기 때문에 수냉이 공랭보다 냉각에 더 효율적이다.

그리고 그래픽카드의 수냉식 냉각 장치는 모듈형식으로 그래픽카드마다 각각 장착되어 있어 냉각효율이 떨어지고 구조가 복잡하다.

그러므로 서버 랙의 통합이 필요하다. 종래 특허기술의 일례로서 등록번호 10-1438723호에는 제1 방향으로 플레이트 형상으로 연장되며, 제1 끝단에 상기 제1 방향으로 연결된 복수의 제1 연결슬롯들을 포함하는 메인 보드;

상기 메인 보드와 평행하게 연장되고, 상기 제1 연결슬롯들 각각에 결합되며, 각각에는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 연결슬롯들이 실장된 복수의 확장 보드들;

상기 메인 보드의 제1 끝단에 반대인 제2 끝단에 배치되어, 외부의 공기가 상기 메인 보드 및 상기 확장 보드들의 상부를 통해 흐르도록 공기를 순환시키는 제1 보드용 팬;

상기 확장 보드들의 연장방향과 수직인 방향으로, 상기 제2 연결슬롯들 각각에 결합되는 복수의 서브 보드들;

상기 메인 보드 및 상기 확장 보드들을 다른 공간과 분리하여, 상기 메인 보드를 제1 공간에 배치시키고 상기 확장 보드들을 제2 공간에 배치시키는 제1 분리 프레임; 및

상기 제1 분리 프레임의 상부 또는 하부에 배치되는 제2 분리 프레임을 포함하며,

상기 제2 분리 프레임은 상기 메인 보드가 배치된 영역에서는 상기 제1 분리 프레임과 제3 공간을 형성하고, 상기 확장 보드들이 배치된 영역에서는 상기 제1 분리 프레임과 제4 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 보드 냉각 시스템이 공개되어 있다.

또한, 등록번호 10-2030487호에는 서버형 영상저장장치의 발열을 저감하는 수냉쿨러 시스템이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 구조가 복잡하며, 냉각효율이 낮아 GPU서버의 발열을 충분히 줄여주기에 부족하다는 단점이 있었다.

따라서 본발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, GPU 서버 냉각 시스템은 구조가 간단하며, 냉각효율이 높아져 GPU서버의 발열을 줄여주는 기능을 하며, 기존 서버인 CPU 냉각 시스템으로도 활용이 가능한 GPU 서버 냉각관리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 GPU 서버 냉각관리 시스템에 관한 것으로, GPU 서버의 발열을 방지하기 위한 수냉식 냉각 시스템으로서, 냉각 라지에이터, 냉각수 탱크, 펌프로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 GPU 서버 냉각 시스템은 워터 블럭이 GPU 및 VRAM 칩에서 발생한 열을 냉각수에 전달하고 데워진 냉각수는 냉각수 펌프에 의해 라디에이터로 이동하여 식혀지게 되는 것을 특징으로 한다.

그러므로 본발명의 GPU 서버 냉각 시스템은 구조가 간단하며, 냉각효율이 높아져 GPU서버의 발열을 줄여주는 기능을 하며, 기존 서버인 CPU 냉각관리 시스템으로도 활용이 가능한 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 GPU 서버 냉각 관리시스템 구성도
도 2는 본 발명의 서버 비상백업 시스템 계통도
도 3은 본 발명의 서버 비상백업 시스템 구성도
도 4는 본 발명의 서버 비상백업 시스템 순서도
도 5는 본 발명의 PCIe 확장 시스템을 이용한 CPU 서버의 GPU 서버 구현 시스템 구성도
도 6은 본 발명의 PCIe 확장 시스템 개요도
도 7은 본 발명의 PCIe 확장 시스템 부품도

본발명은 GPU 서버 냉각관리 시스템에 관한 것으로, GPU 서버의 발열을 방지하기 위한 수냉식 냉각 시스템으로서, 냉각 라지에이터, 냉각수 탱크, 펌프로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 GPU 서버 냉각 시스템은 워터 블럭이 GPU 및 VRAM 칩에서 발생한 열을 냉각수에 전달하고 데워진 냉각수는 냉각수 펌프에 의해 라디에이터로 이동하여 식혀지게 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각 라지에이터는 냉각팬을 이용하여 온도가 높아진 냉각수를 식혀주는 장치인 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수 탱크 및 펌프는 냉각수를 서버 랙에서 순환시키기 위한 장치인 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본발명의 GPU 서버 냉각 시스템 구성도이다.

본발명의 GPU 서버 냉각 시스템은 GPU 서버의 발열을 방지하기 위한 수냉식 냉각 시스템이다. 곧 그래픽카드의 GPU(Graphics Processing Unit)와 VRAM(Video Random Access Memory)의 수냉식 냉각 장치로서 워터 블럭이 GPU 및 VRAM 칩에서 발생한 열을 냉각수에 전달하고 데워진 냉각수는 냉각수 펌프에 의해 라디에이터로 이동하여 식혀지게 되는 것이다.

본발명의 GPU 서버 냉각 시스템 구성은 냉각 라지에이터, 냉각수 탱크, 펌프로 구성된다. 프레임 상부에 냉각라지에이터가 설치되며 하부에는 냉각수 탱크가 설치되며, 상기 냉각라지에이터와 냉각수 탱크사이에는 펌프가 설치되어 물을 순환시키게 된다. 프레임 중간에는 다수개의 GPU서버가 상부에서 하부로 설치된다. 상기 냉각 라지에이터는 냉각팬을 이용하여 온도가 높아진 냉각수를 식혀주는 장치이며, 냉각수 탱크 및 펌프는 냉각수를 서버 랙에서 순환시키기 위한 장치이다.

그리고 본발명은 프레임 외부에는 제어기가 별도로 설치되며 프레임 내부에는 온도센서가 설치되어 GPU 서버의 발열에 따른 온도를 측정하여 제어기의 제어부에 전송하고 제어부는 저장부에 저장된 설정치와 비교부를 통해 비교하여 설정치 이상이면 펌프를 가동한다. 또는 펌프의 순환속도와 라지에이터 냉각팬 속도를 높이게 한다. 제어부는 일정시간이 경과되어도 온도가 설정치 이하로 떨어지지 않으면 GPU 서버를 보호하기 위해 알람수단인 스피커를 동작시켜 알람을 발생시킨다. 또는 제어기에는 통신모듈이 설치되어 관리자의 스마트폰에 문자메시지를 보내어 점검하게 한다.

한편, 본발명은 발열시 GPU 서버를 보호하기 위해 서버 비상백업 시스템을 구비할 수 있다. 본 발명의 서버 비상백업 시스템은 서버 운영 중 발생할 수 있는 시스템 오류 발생 시 운영 중인 OS 및 어플리케이션을 백업을 수행한 후 서버가 안전하게 Shutdown 수행하게 하는 것이다. 발열시 제어부는 일정시간이 경과되어도 온도가 설정치 이하로 떨어지지 않으면 서버 비상백업 시스템을 구동한다.

서버 비상백업 시스템의 구성은 일반 서버 내 탑재 가능한 모듈형태로 베터리팩 컨트롤러 인터페이스가 구비되며, 컨트롤러는 전원불량 등 이벤트 발생 시 베터리팩을 통한 전원 제공 및 백업을 수행한다.

본 발명의 비상백업시스템은 서버 내 위치하며, 서버의 파워서플라이(전원공급장치)와 직접 연결되는 것으로, 물리적인 전원 연결은 '전원코드-서버파워서플라이-비상백업장치-메인보드'이다.

비상백업장치의 배터리는 서버 전원 인가 시 부터 배터리 충전을 하며 비상장치내 컨트롤러(BMS-배터리관리시스템-기능포함)가 관리하고 있다.

외부에서 인가된 전원을 비상백업시스템의 감지기가 전압/전류를 실시간 체크하고 있다.

전원 공급이 중단되거나 이상 발생 시 비상백업 시스템의 배터리에서 전원을 공급하되,

In-Line 방식으로 전원 공급의 단절이 발생하지 않는다.

그러므로 본 발명의 전원 공급 시 발생된 내부 이벤트를 컨트롤러가 감지하여 현재 운영 중인 서버의 이미지백업을 정확하고 신속하게 수행하게 된다. 상기 컨트롤러는 송수신부, 데이터를 저장하는 저장부, 전압/전류설정치와 감지기로부터의 전송받은 측정값을 비교하는 비교부, 제어부로 구성된다.

특히 본 발명의 비상백업시스템은 서버 사용률이 낮은 시간대 정기적(스케쥴 기능)으로 해당 서버의 OS영역 외 사용자 영역에 대한 풀백업을 수행하며, 비상동작 발생 시 백업시간을 단축하기 위해 스냅샷 개념의 백업을 수행한다. 상기 스냅샷 백업은 주요자료를 우선적으로 백업시키며, 주요도가 동격 내지 유사한 범주일때는 폴더나 파일종류에 따라 우선순위를 정할 수 있다.

본 발명의 비상백업시스템은 시스템 최초 1회 백업 후 전원부에 이상 발생 시 스냅샷을 활용한 백업을 진행한다. 곧 전원부 이상시 내장배터리 타임으로 인하여, 스냅샷으로 백업 진행 하여 최초 백업한 파일과 스냅샷을 통한 시스템 복원을 진행한다.

스냅샷 백업에 대해 설명하기 위해 먼저 스냅샷에 대해 설명하면, 스냅샷은 특정 시간에 데이터 저장 장치의 상태를 별도의 파일이나 이미지로 저장하는 기술을 의미하며, 스냅샷 기능을 이용하여 데이터를 저장하면 유시 데이터 복원과 일정 시점의 상태로 데이터를 복원할 수 있다.

스냅샷이 필요한 이유는

1) 데이터 분석, 데이터 보호 및 데이터 복제와 같은 작업을 수행하며

2) 재해복구와 같은 장애 상황에서도 데이터 복원이 되며 (완전 백업 대비 백업 속도가 빠름)

3) 긴급한 상황에서 최상의 데이터 보호 수단이 될 수 있으며

4) 대용량 데이터의 백업관리를 단순화하여 운영 관리 비용을 최소화 할 수 있기 때문이다.

한편, 본발명은 서버 비상백업 시스템을 PCIe 확장 시스템을 이용한 CPU 서버의 GPU 서버 구현 시스템에 적용할 수 있는 것으로,

본 발명은 PCIe 확장 시스템을 사용하여 CPU 서버를 GPU 서버로 구현 가능하게 한 것으로, 일반적으로 PCIe 확장 시스템은 호스트 서버의 마더 보드에 그래픽카드를 직접 액세스 할 수 있도록 PCIe 슬롯 확장을 지원한다. PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)는 캡처 카드나 무선 카드와 같은 주변 장치 뿐 아니라 그래픽 카드와 SSD를 연결하는데 일반적으로 사용되는 고대역폭 확장 버스이다.

본 발명은 확장 시스템의 PCIe 스위치와 CPU 서버의 PCIe 어댑터에서 버스 리피터를 사용하여 호스트 서버에서 PCIe 확장 케이블로 브리지 연결 가능하다.

본 발명의 PCIe 확장시스템은 CPU 서버 메인보드의 PCIe 슬롯에서 백플레인의 PCIe와 연결하는 것으로 하나의 서버에 다량의 그래픽카드를 사용하기 위한 방안이다. 특히 브리지 연결은 낮은 대기 시간 버스 처리량을 위해 PCIe x16 버스 리피터를 활용하며, CPU 서버에서 1미터 또는 3미터의 확장 케이블로 연결되고, CPU 서버에서 로우 프로파일 PCIe 플러그인 카드 형식을 통한 표준 PCIe 슬롯과 PICMG 1.3을 사용하는 백플레인 보드의 PCIe 슬롯에 연결된다.

PCIe 확장 시스템은 부팅 시 호스트 서버 시스템에 의해 인식되고 특정 소프트웨어, 하드웨어 드라이버가 필요하지 않다.

PCIe 확장 시스템은 PCIe 어댑터, 데이터 케이블 및 확장 Backplane 세 가지 요소로 구성된다.

PCIe 어댑터는 CPU 서버와 Backplane의 PCIe x16 slot에 삽입되며, PCIe 데이터 케이블은 CPU 서버와 Backplane을 연결한다.

부팅 시, 각 링크의 레인너비를 협상한 후 각 PCIe 링크가 설정되는 하드웨어 초기화를 진행한다. PCIe 링크는 PCIe 스위치를 통해 생성되며 호스트 BIOS에 대한 PCIe-to-PCIe 브리지처럼 보인다. 연결된 링크는 전송 쌍과 수신 쌍으로 구현되는 이중 단방향 차동 연결로 구성된다.

도면에서 도시된 바와 같이, 사용한 규격은 PCIe 3.0 x16 이며, 데이터 전송률은 8GT/s이며 x16(16레인)의 대역폭은 15.754 GB/s이다.

한편, 본 발명에서 사용되는 구성인 링크(link)/레인(lane)의 의미에 대해 설명하면, 링크는 CPU 서버의 PCIe slot과 Backplane의 PCIe slot의 연결을 의미하며, 레인 너비의 협상은 PCIe에 그래픽카드가 인식되어 사용되는 레인이 x8인지 x16인지 확인하는 과정을 의미한다. 레인은 데이터 전송 대역폭을 의미하며, 연결된 PCIe 장치에서 CPU로 데이터 비트가 전송되는 데이터 통로 역할을 한다.

레인은 x1(1레인), x4(4레인), x8(8레인), x16(16레인) 등이 있으며 일반적으로 그래픽카드는 x16(16레인)을 사용한다.

제어기는 송수신부, 저장부, 비교부, 라지에이터 휀작동부, 펌프작동부, 제어부로 구성된다.

한편, 본발명은 공랭식으로 운전할 수 있는 것으로 밀폐식 프레임에 형성된 공기구멍을 댐퍼에 의해 개페하되 실내온도를 외기온도센서에 의해 전달받고 겨울 등 실내온도가 낮을때는 펌프가동을 중지하고 제어기는 댐퍼를 오픈하고, 실내, 실외공기가 흡입되게 하여, 전기에너지를 절약하게 된다.

그러므로 본발명의 GPU 서버 냉각 관리시스템은 구조가 간단하며, 냉각효율이 높아져 GPU서버의 발열을 줄여주는 기능을 하며, 기존 서버인 CPU 냉각 시스템으로도 활용이 가능한 현저한 효과가 있다.

100 : 서버
110 : 비상백업시스템 120 : 메인보드
130 : 서버용 파워서플라이 유닛 140 : 배터리(팩)
150 : 백업전용 저장소 160 : 컨트롤러
170 : 메인보드
10 : PCIe 확장시스템 20 : 일반서버(CPU서버)
30 : PCI EXPRESS SWITCH
40 : PCI EXPRESS SLOT
50 : 그래픽 카드
310 : 냉각라지에이터 320 :GPU 서버
330 : 펌프 340 : 냉각수 탱크

Claims (3)

1. GPU 서버의 발열을 방지하기 위한 수냉식 냉각 시스템으로서, 냉각 라지에이터(310), 냉각수 탱크(340), 펌프(330)로 구성되되, 워터 블럭이 GPU(Graphics Processing Unit) 및 VRAM(Video Random Access Memory) 칩에서 발생한 열을 냉각수에 전달하고 데워진 냉각수는 펌프(330)에 의해 냉각 라지에이터(310)로 이동하여 식혀지게 되는 것이며, 상기 냉각 라지에이터(310)는 냉각팬을 이용하여 온도가 높아진 냉각수를 식혀주는 장치인 GPU 서버 냉각관리 시스템에 있어서,
   상기 냉각 라지에이터(310)는 프레임 상부에 설치되며 하부에는 냉각수 탱크(340)가 설치되며, 상기 냉각 라지에이터(310)와 냉각수 탱크(340)사이에는 펌프(330)가 설치되어 물을 순환시키게 되고, 프레임 중간에는 다수개의 GPU서버(320)가 상부에서 하부로 설치되며, 상기 냉각 라지에이터(310)는 냉각팬을 이용하여 온도가 높아진 냉각수를 식혀주는 장치로서 냉각수 탱크(340) 및 펌프(330)는 냉각수를 서버 랙에서 순환시키기 위한 장치이며,
   상기 프레임 외부에는 제어기가 별도로 설치되며 프레임 내부에는 온도센서가 설치되어, GPU 서버(320)의 발열에 따른 온도를 측정하여 제어기의 제어부에 전송하고 제어부는 저장부에 저장된 설정치와 비교부를 통해 비교하여 설정치 이상이면 펌프(330)를 가동하며, 제어부는 일정시간이 경과되어도 온도가 설정치 이하로 떨어지지 않으면 GPU 서버(320)를 보호하기 위해 알람수단인 스피커를 동작시켜 알람을 발생시키거나 통신모듈이 설치되어 관리자의 스마트폰에 문자메시지를 보내어 점검하게 하며,
   또한, 발열시 GPU 서버를 보호하기 위해 서버 비상백업 시스템을 구비하는 것으로 서버 비상백업 시스템은 서버 운영 중 발생할 수 있는 시스템 오류 발생 시 운영 중인 OS 및 어플리케이션을 백업을 수행한 후 서버가 안전하게 셧다운(Shutdown) 수행하게 하는 것이며, 발열시 제어부는 일정시간이 경과되어도 온도가 설정치 이하로 떨어지지 않으면 서버 비상백업 시스템을 구동하는 것으로, 서버 비상백업 시스템의 구성은 서버 내 탑재되는 모듈형태로 베터리팩 컨트롤러 인터페이스가 구비되며, 컨트롤러는 전원불량 이벤트 발생 시 베터리팩을 통한 전원 제공 및 백업을 수행하는 것으로,상기 비상백업시스템은 서버 내 위치하며, 서버의 파워서플라이와 직접 연결되는 것으로, 물리적인 전원 연결은 '전원코드-서버파워서플라이-비상백업장치-메인보드'이며, 비상백업장치의 배터리는 서버 전원 인가 시 부터 배터리 충전을 하며 외부에서 인가된 전원을 비상백업시스템의 감지기가 전압/전류를 실시간 체크하고 있으므로, 전원 공급이 중단되거나 이상 발생 시 비상백업 시스템의 배터리에서 전원을 공급하되,In-Line 방식으로 전원 공급의 단절이 발생하지 않게 하며,
   비상백업시스템은 서버 사용률이 낮은 시간대는 정기적으로 해당 서버의 OS영역 외 사용자 영역에 대한 풀백업을 수행하며, 비상동작 발생 시 백업시간을 단축하기 위해 스냅샷 백업을 수행하며, 상기 스냅샷 백업은 주요자료를 우선적으로 백업시키며, 주요도가 동격 내지 유사한 범주일때는 폴더나 파일종류에 따라 우선순위를 정하는 것이며, 비상백업시스템은 시스템 최초 1회 백업 후 전원부에 이상 발생 시 스냅샷을 활용한 백업을 진행하는 것으로, 전원부 이상시 내장배터리 타임으로 인하여, 스냅샷으로 백업 진행 하여 최초 백업한 파일과 스냅샷을 통한 시스템 복원을 진행하는 것을 특징으로 하는 GPU 서버 냉각관리 시스템
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