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Scientific Reports volume 13、記事番号: 1637 (2023) この記事を引用

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近年、自己電源型デバイスのトランスデューサとシステム アーキテクチャに関する研究が、コスト、消費電力、環境への影響の観点からモノのインターネットに直接影響を与えるとして注目を集めています。 単一の熱電発電機を電源として、また温度勾配センサーとして効率的かつ制御された方法で使用するワイヤレス センサー ノードの概念が調査されています。 このデバイスの目的は、データセンター内の温度勾配データを収集して、熱を考慮したサーバー負荷管理アルゴリズムの適用を可能にすることです。 最大電力点追跡アルゴリズムを使用することにより、熱電発電機の動作点は制御下に維持され、その電力温度伝達関数を使用して温度勾配が測定されます。 このようにして、最大効率でエネルギーを収集しながら、温度勾配のより正確な測定が達成されます。 結果は、さまざまなフェーズを通じたシステムの動作を示すとともに、温度勾配の測定中に温度勾配からエネルギーを効率的に収集する能力を示しています。 このシステム アーキテクチャでは、温度勾配を最大誤差 0.14 \(^{\circ }\)C で、13 \(^{\circ }\)C を超える値に対して 92% 以上の効率で測定できます。トランスデューサー。

モノのインターネット (IoT)1 やワイヤレス センサー ネットワーク (WSN)2 などの現象では、数百から数千に及ぶ多数のセンサーの設置が検討されています。 これらのネットワークでは、さまざまなセンサー ノードに自律的に電力を供給することが重要です。 最も直接的かつ広範な解決策は、バッテリーの使用です。 しかし、これには 2 つの主な欠点があります。(1) ノードの運用と保守のコストが増加すること、および (2) バッテリーが廃棄されるたびに環境に重大な影響を与えることです。 これに数百のセンサー ノードが加わると、ネットワークの長期的な持続可能性が疑わしくなります。 したがって、エネルギーハーベスティングによってノードにローカルで電力を供給し、バッテリーレスモノのインターネット (IoBT)3 を可能にする方が、より良い代替手段となります。 これらのデバイスのエネルギー実行可能性を確保するために、ノードでは 2 つの方法が使用されます: (1) コンポーネントの数を減らす、および (2) 計算を減らす。 最初の戦略は明確です。使用するコンポーネントの数を減らすことは、電力を供給するコンポーネントの数が減り、その結果、消費量が減るということを意味します4。 2 番目の戦略は、ノードでの計算を削減することで構成されます5。 ただし、ノードの自己給電を可能にするためにノードの計算量を減らしても問題は解決せず、ノードを別の場所に移すことになります。 この場合、データセンターに移動されます。

彼らは、保存されるデータの量が増え続けることと、この膨大な量のデータを処理するための計算活動が増え続けることにより、活動が増大し、2030 年には最大 1,287 TWh のエネルギー需要が予想されることを認識しています6。 これらのセンターの目的冷却にかかるエネルギーコストを削減すること、つまり電力使用効率 (PUE) を削減することです。 PUE は、The Green Grid7 によって定義された、データセンターでのエネルギー使用効率を測定するための標準であり、次のように定義されています。

理想的なシナリオでは、PUE は 1 で、データ センターで使用されるすべてのエネルギーはサーバーへの電力供給のみに使用されます。 しかし、これは事実ではなく、冷却、監視、照明などのシステムに電力を供給するには追加のエネルギーが必要です。たとえば、Google データセンターの 2020 年の 12 か月 PUE は 1.11 であり8、Microsoft の 2015 年の PUE は 1.125 です9。 , Amazon の PUE は 2014 年に 1.2 と報告され10、2019 年の調査では、他の企業の平均 PUE は 1.6711 であることが明らかになりました。 データセンターの現在の PUE を改善することを目的として、この文書では、熱電発電機 (TEG) を使用して、データセンターのマイクロコントローラー ユニット (MCU) によって熱の形で放出されるエネルギーを収集するワイヤレス センサー ノードを紹介します。 同時に、同じ TEG を使用して、MCU とその環境の間の温度勾配を監視します。 これにより、データセンター内の周囲温度を細かい粒度で監視できるようになり、熱を意識したサーバー負荷管理アルゴリズム 12 の実装が可能になります。 ワイヤレス バッテリーレス センサー ネットワークの展開と、熱を考慮したサーバー負荷管理アルゴリズムの実装は、PUE の改善を可能にする 2 つの方法です。 データは LoRaWAN を使用してワイヤレスで送信され、同時に最大電力点追跡 (MPPT) アルゴリズムを使用して TEG から電力が効率的に抽出されます。