成果報告書詳細
管理番号20130000000475
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト サーバの最適構成とクラウド・コンピューティング環境における進化するアーキテクチャーの開発 将来の進化を想定した低消費電力アーキテクチャーの開発
公開日2013/6/22
報告書年度2009 - 2012
委託先名日本電気株式会社
プロジェクト番号P08017
部署名省エネルギー部
和文要約1.研究開発の内容及び成果等

(1)筐体内高密度・大容量接続を適用した省電力筐体のアーキテクチャーの検討
筐体の冷却電力を削減するため、光接続によって排気スペースを拡大することで冷却効率を向上する筐体アーキテクチャーを提案した。また、熱流体解析により、冷却電力を従来筐体に比べて30%削減可能であることを確認し、目標を達成した。熱流体解析(数値シミュレーション)では、ブレード型筐体をモデルとし、様々な装置で提案筐体による電力削減が得られるかを確認するために、廃熱スペース配置や大きさ、吸気口の配置や大きさ、冷却ファンの配置や能力、LSI等熱源の配置をパラメータとした。解析の結果、様々な装置条件で、従来の電気接続を用いた筐体に比べて、提案筐体により最大の熱源であるLSI近傍の流速が約40-50%向上した。これにより、送風用ファン電力を30%削減しても冷却が可能となった。
(2)筐体内高密度・大容量接続技術の開発
(2)-1 ボード上高密度配線の検討
損失の小さいポリマ導波路と光入出力用の45度ミラーの設計を最適化し、45度ミラー部を含むボード上光配線の光損失2.1dB(送信側)、0.3dB(受信側)を実現した。ポリマ導波路部の設計においては、エポキシ、ノルボルネンなどの材料を比較し、コア/クラッド部の屈折率差の異なる複数のポリマ導波路設計の結果、エポキシ系材料が最適であるとの結論を得た。
(2)-2 ボードと筐体の接続技術の開発
光導波路の材料や形状が異なるボード上光配線と筐体間配線の結合において、ボード間接続用ファイバを最適設計することにより、結合部における光損失2.5dB(送信側)、0.2dB(受信側)を確認した。結合部の設計においては、材料が樹脂(ボード上光配線)とガラス(ファイバ)、形状が四角(ボード上光配線)と円形(ファイバ)と異なるため、出力モードによっては反射により光損失が増大する。これを踏まえ、ボード間接続用マルチモードファイバの結合設計を行い、低損失化を実現した。
(2)-3 ボードとトランシーバの高効率結合技術の開発
ボード上光配線とトランシーバ間を高効率に結合する方法として、最も部品点数の少ない光ビアを用いた結合を採用し、最適設計した結果ボード上光配線とトランシーバ間の光損失0.03dB(送信側)、0.07dB(受信側)を確認した。光ビア構造は、コア/クラッドから構成される縦型の導波路でボード上ポリマ導波路とトランシーバ間を接続する。
上記(2)-1から(2)-3で設計した要素の試作を行い、トータル損失の評価を行った結果、損失5.9dBを得た。この実測値は、設計で求めた総光損失5.2dBと同等であり、設計の妥当性を裏付けた。以上により、最終目標であるトータル損失10dB以下を実現した。

(3)筐体内高密度・大容量接続を適用した筐体のプロトタイプ試作と消費電力低減効果の検証
本研究項目では、筐体内光配線筐体のプロトタイプ試作とそれを用いた10Gbpsの伝送試験を行い、10Gbpsの信号が入出力できることを確認し、目標を達成した。
英文要約Title: Research and Development Projects for Green Network Systems/Research and Development for Data Center Platform Technologies to Optimize Power Consumptions/Development for Optimizations of Server Constructions and Evolving Architectures on Cloud Computing/Development for Low Power Consumption on Evolving Architectures (FY2009-FY2012)

1. Results and Contents of the Research
(1) Investigation for Architectures on Low Power Consumption Shelves Applying High Density and High Capacity Connection
For investigating architectures which lowered the power consumption for cooling shelves, we constructed various types of shelf models on the thermo-fluid analysis software. Using those models, we analyzed power consumption of cooling fans in those models and confirmed that shelf models using optical wiring can reduce power consumption by approximate 30% as compared to conventional shelf models using electrical wiring.

(2) Development for High Density and High Capacity Connection in a Shelf
(2)-1 Investigation for On-board high density interconnection
We prepared the samples of polymer waveguides, made of three different epoxy and norbornen-based materials owing different refractive indexes. By evaluating those samples, we confirmed that epoxy-based polymer waveguide is most suitable for On-board high density optical wiring. And we optimized 45-degree mirror used to couple lights between transceivers and polymer waveguides. As a result, we confirmed in simulation that optical insertion loss of transmitter side is 2.1dB and optical insertion loss of receiver side is 0.3dB.

(2)-2 Development for Connection Technology between Boards and Shelves
Because of optical light loss is caused by difference of materials and shapes between On-board optical polymer waveguide and board-to-board optical fiber, we optimized connection structures between optical polymer waveguides and optical fibers. As a result, we confirmed in simulation that optical coupling loss of transmitter side is 2.5dB and optical insertion loss of receiver side is 0.2dB.

(2)-3 Development for High Efficient Connection Technology between Boards and Transceivers
We developed optical via and optimized connection structures between transceivers and On-board optical polymer waveguide. As a result, we confirmed in simulation that optical connection loss of transmitter side is 0.03dB and optical insertion loss of receiver side is 0.07dB.
From the results mentioned above, we confirmed in simulation that total optical light loss is 5.2dB (2.1dB+0.3dB+2.5dB+0.2dB+0.03dB+0.07dB).
We made prototype of these components from (2)-1 to (2)-3 and confirmed that total optical light loss is 5.9dB as same as design. As a result, we achieved the target of this project, less than 10dB of optical light loss from board to board.

(3). Development of prototype and realization of low power consumption
We developed prototype for performance evaluation, and we confirmed that 10Gbps optical transmission among boards can be achieved.
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