云計(jì)算中電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“最優(yōu)解”

作者：安森美(onsemi)移動、計(jì)算和云分部策略營銷經(jīng)理Julie Tyler

云計(jì)算已成為一個家喻戶曉的術(shù)語，在技術(shù)市場領(lǐng)域的重要性和吸引力越來越大。簡單地說，云是指通過互聯(lián)網(wǎng)提供的任何服務(wù)。云計(jì)算背后的概念是創(chuàng)建一個無處不在的基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)和信息的快速、可擴(kuò)展的訪問。

雖然大多數(shù)人把云定義和解釋為一個大型公共網(wǎng)絡(luò)，但也有私有云服務(wù)，以提供有限訪問和需授權(quán)的安全專用網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)消費(fèi)者通過前端訪問與云進(jìn)行交互。云的前端包括軟件、應(yīng)用程序、圖形用戶接口(GUI)和存儲。為了支持大量可選的前端用戶接口，云需要一個重要的后端基礎(chǔ)設(shè)施，包括電源、服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算機(jī)。隨著前端云服務(wù)需求的不斷增加，后端系統(tǒng)也必須是可升級的和可擴(kuò)展的。

全球數(shù)據(jù)中心市場預(yù)計(jì)將以6.4%的年復(fù)合增長率(CAGR)從2020年的191億美元增長到2025年的261億美元1。隨著云計(jì)算需求的持續(xù)增長，對處理能力的要求也隨之增加。據(jù)估計(jì)，2018年全球數(shù)據(jù)中心耗電量為205兆瓦時(shí)，或205,000,000,000 W-hr 2。如此龐大的電力需求，使能效和可靠性成為優(yōu)先考慮的因素。

云電源轉(zhuǎn)換

大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的機(jī)架由額定電壓為220 V的不間斷電源(UPS)供電，每個機(jī)架的額定功率接近100 kW?？紤]到大多數(shù)核處理器的額定電壓低于2 V，高電壓需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分配。此外，額定功率越高，表明需要以最高能效重新路由大量的電流，以最小化功耗和熱量。

大多數(shù)服務(wù)器機(jī)架有一個48 V的背板電源。這是機(jī)架中每臺服務(wù)器的主要電源，也被稱為服務(wù)器刀片。48 V在過去一直是電信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)電源。選擇48 V的原因是，人們通常認(rèn)為它是對人體無害的最高電壓。通常，要求電壓水平超過48 V的設(shè)備必須是雙重絕緣的，并有其他更多嚴(yán)格的安全要求。

圖1：交流電源到服務(wù)器背板框圖

48 V對比12 V

已經(jīng)有很多圍繞48 V服務(wù)器電源的討論和實(shí)驗(yàn)。過去大多數(shù)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器平臺的內(nèi)部電源都是12 V。這通常是傳統(tǒng)的要求，源于舊的硅技術(shù)以及非易失性存儲的硬盤驅(qū)動器、冷卻風(fēng)扇和計(jì)算平臺的其他組件。

CPU功耗隨著每一代處理器的升級急劇增加，高電流水平已開始產(chǎn)生顯著的導(dǎo)通損耗和低能效。功率損失也會產(chǎn)生熱量，這是高密度計(jì)算的大敵，因其導(dǎo)致設(shè)備使用壽命縮短并產(chǎn)生系統(tǒng)漏洞。應(yīng)對這種損耗的一種方法是將48 V機(jī)架電源引入服務(wù)器本身，并引入負(fù)載點(diǎn)(POL)電源轉(zhuǎn)換器。

導(dǎo)通損耗 = (負(fù)載電流2) x (導(dǎo)通路徑電阻)

48 V電源可用四分之一的電流向負(fù)載提供相同的功率；從而將導(dǎo)通路徑上的功耗減少16倍。這對系統(tǒng)能效的顯著提升帶來了一些挑戰(zhàn)。12 V電源方案已經(jīng)經(jīng)過多代優(yōu)化，能效極高。更高電壓的電源需要更大的降壓以達(dá)到CPU核心電壓，這可能導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換級能效較低。還需要更高電壓的硅技術(shù)，而且對于MOSFET架構(gòu)來說，每單位面積的電阻往往更高，這也會增加系統(tǒng)成本。這些系統(tǒng)挑戰(zhàn)導(dǎo)致了試驗(yàn)性地實(shí)施創(chuàng)新和先進(jìn)的架構(gòu)。

最有前景的新電源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一是開關(guān)槽路電容器(STC)轉(zhuǎn)換器——圖2。這些轉(zhuǎn)換器能效極高，在某些情況下，電路面積更小。根據(jù)設(shè)計(jì)人員和整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，單級和多級轉(zhuǎn)換方案都已被證實(shí)是成功的。具體的中間電壓將因硅供應(yīng)商而異，通常根據(jù)他們的特定技術(shù)來選擇。所展示的最高效的整體方案是48 V-12 V-1 V，為CPU核供電。這種方法利用了兩種成熟的方案，并調(diào)節(jié)了凈壓降，最大化系統(tǒng)總能效——圖3。

圖2：開關(guān)槽路電容器(STC)轉(zhuǎn)換器有單級和多級設(shè)計(jì)之分

圖3：48 V至1 V兩級轉(zhuǎn)換器為CPU核心供電

內(nèi)核CPU電源

大電流DC-DC電源轉(zhuǎn)換器通常采用多相拓?fù)洹Ｃ肯嗤ǔ０▋蓚€采用上下半橋配置的MOSFET和一個電感，以形成一個單一的降壓轉(zhuǎn)換器。這架構(gòu)通常被稱為功率級。多相協(xié)同工作，由一個智能電源管理集成電路(PMIC)控制。每個相位的開關(guān)必須交錯開來，并仔細(xì)控制，以優(yōu)化負(fù)載調(diào)節(jié)、紋波、瞬態(tài)響應(yīng)和包括輻射和導(dǎo)通的噪聲產(chǎn)生。

功率級的數(shù)量和其中每一級的電流都是為特定一代的CPU精心調(diào)校的。市場已觀察到所需的相位數(shù)正在迅速增加，且每個功率級的電流密度也越來越高。最先進(jìn)的多相轉(zhuǎn)換器采用多達(dá)16個相位，總輸送功率動輒超過1000 W——圖4。

圖4：采用16相位提供1 V CPU電源的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

智能功率級

先進(jìn)CPU需要極高功率密度的一個副產(chǎn)品是要求極嚴(yán)格的負(fù)載調(diào)節(jié)。先進(jìn)的深次微米硅技術(shù)不能容忍電源和信號節(jié)點(diǎn)上的電壓偏移。這就需要確保為CPU供電的多相PMIC密切監(jiān)測每相的電壓、電流和溫度。所有這些信息都由智能功率級收集和管理；包括故障管理。

由于輸送到CPU的電流非常大，一個管理不善的故障狀況可能會迅速破壞處理器，導(dǎo)致更換一個或多個非常昂貴的部件。最先進(jìn)的智能功率級考慮了負(fù)載電感和相關(guān)的瞬態(tài)尖峰以及其他系統(tǒng)寄生物，以最大化整個系統(tǒng)的可靠性。它們也是提高整個系統(tǒng)能效的一個關(guān)鍵因素。

圖5：強(qiáng)調(diào)智能功能需求的不同功率電路之效率比較

總結(jié)

隨著消費(fèi)者期望越來越多的數(shù)據(jù)觸手可及，云市場領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)發(fā)展和擴(kuò)大。為了滿足這些需求，支持云基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)領(lǐng)域必須持續(xù)創(chuàng)新并預(yù)測市場需求。整個云端電源樹，包括多相控制器、智能功率級和POL，都必須精心設(shè)計(jì)和制造，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能效和可靠性的整體設(shè)計(jì)，以支持這基礎(chǔ)設(shè)施。安森美(onsemi)為整個電源樹提供領(lǐng)先行業(yè)的方案，用于從48 V到1 V的每個節(jié)點(diǎn)。