解決數(shù)據(jù)中心能耗問題的電力技術(shù)

作者： BOB CANTRELL愛立信電源模塊高級(jí)應(yīng)用工程師

在過去十年左右的時(shí)間里，全球數(shù)據(jù)中心消耗的能源急劇增加，從幾乎為零增加到全球電力供應(yīng)的 2% 以上。此外，全球溫室氣體排放量約占全球 2%。今天有預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)中心的能源消耗將在未來十年增加兩倍，開始與中等規(guī)模經(jīng)濟(jì)體的整個(gè)國家的電力消耗相媲美甚至超過。

冷卻問題對(duì)能源消耗的一個(gè)重要貢獻(xiàn)領(lǐng)域是為使用大型空調(diào)裝置和系統(tǒng)的設(shè)備提供必要的冷卻。目前有幾種方法可以減少該領(lǐng)域的消耗。第一個(gè)是許多主要數(shù)據(jù)中心提供商所追求的，是將最高環(huán)境溫度提高到略高于服務(wù)器和其他設(shè)備運(yùn)行的通?？山邮艿南拗?，但不足以引入重大的可靠性問題。第二種方法是從平均氣溫明顯較低的氣候中受益，并將數(shù)據(jù)中心定位在世界較涼爽的地區(qū)，例如斯堪的納維亞/北歐國家：Facebook 等大公司已經(jīng)在丹麥和瑞典建立設(shè)施。此外，這些國家，除其他外，越來越多地尋求可再生能源，包括基于水力發(fā)電的解決方案，以提供低碳電力供應(yīng)。當(dāng)然，這兩種方法可以一起使用以降低能耗。

當(dāng)今的電源架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的第二個(gè)貢獻(xiàn)顯然是服務(wù)器、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行所需的電源。在這一領(lǐng)域，業(yè)界正在尋求新的和創(chuàng)新的現(xiàn)代電力技術(shù)，以減少現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的能源消耗。從歷史上看，至少可以追溯到 1980 年代，在電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中，分布式電源架構(gòu)一直占主導(dǎo)地位，其中交流線路電壓經(jīng)過整流，通常提供 48 Vdc，通過單獨(dú)的板載和嚴(yán)格調(diào)節(jié)的點(diǎn)分配到服務(wù)器機(jī)柜-負(fù)載（PoL）轉(zhuǎn)換器。

然而，這種架構(gòu)在過去十年左右隨著中間總線架構(gòu) (IBA) 的引入而進(jìn)一步發(fā)展，其中 IBC（中間總線轉(zhuǎn)換器）從 48V 總線下變頻到 12V 的典型電壓電平. 中間總線的建立主要是為了節(jié)省多個(gè)隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本和體積。除了 IBC 之外，還有板載和非隔離式 PoL 轉(zhuǎn)換器，可將 12 Vdc 中間總線進(jìn)一步降低到處理器、ASIC、FPGA、內(nèi)存 IC 和其他邏輯設(shè)備等板級(jí)組件所需的電壓。根據(jù)為處理器或 FPGA 內(nèi)核邏輯供電的需要，電壓通?？梢缘陀?1 V。

兩個(gè)下變頻級(jí)的部署具有在為 PoL 轉(zhuǎn)換器供電的中間總線和 PoL 提供的負(fù)載電流之間提供最佳平衡的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于最大限度地提高系統(tǒng)級(jí)的功率轉(zhuǎn)換效率很重要。選擇 12 Vdc 電壓電平是為了確保在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較高時(shí)提供足夠高的電壓以提供負(fù)載或電路板所需的所有功率，同時(shí)降低配電損耗。但是，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致效率低下，尤其是在流量需求低的情況下。中間總線架構(gòu)的概述如圖 1 所示。

圖 1：典型數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)通信設(shè)施中的電壓轉(zhuǎn)換階段。

然而，從交流線路到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體效率約為 85%，這意味著系統(tǒng)中高達(dá) 15% 的功率因此以熱量的形式被各種功率設(shè)備耗散掉。需要去除這些熱量以實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)可靠性，或者至少在明確定義的可接受范圍內(nèi)。

趨勢(shì)行業(yè)中存在許多尋求最大化效率、降低功耗和最小化成本的趨勢(shì)。正在向基于軟件的高級(jí)架構(gòu)發(fā)展，例如軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV)；越來越多地使用數(shù)字電源及其擴(kuò)展是軟件定義電源架構(gòu)的出現(xiàn)；直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的重新出現(xiàn)，實(shí)際上已經(jīng)存在了 35 年左右，將傳統(tǒng)的 48-Vdc 線路直接下轉(zhuǎn)換為處理器和其他邏輯 IC 所需的板級(jí)電壓。

解決其中的第一個(gè)問題：SDN 本質(zhì)上是將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離——或?qū)④浖c硬件分離。應(yīng)用軟件不一定需要在特定的網(wǎng)絡(luò)硬件上運(yùn)行，但可能需要在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上運(yùn)行。此外，NFV 提供了顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化：可以在基于商用硬件的“虛擬機(jī)”上整合多種功能或應(yīng)用程序。虛擬化當(dāng)然可以為降低能耗做出貢獻(xiàn)，但板級(jí)的軟件控制也很關(guān)鍵。

數(shù)字電源第二個(gè)要素是數(shù)字電源。通常，傳統(tǒng)的模擬開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器在最大負(fù)載之下達(dá)到峰值效率。例如，雖然在最大負(fù)載時(shí)效率僅略微降低，但在半負(fù)載或低需求時(shí)效率顯著降低。其原因主要是由于使用了固定值電容器，該電容器用于確保在廣泛的工作條件下穩(wěn)定供電。缺點(diǎn)是缺乏靈活性，無法在潛在的負(fù)載范圍內(nèi)提供高或均勻的效率。然而，數(shù)字電源提供的可能性可以克服這一限制。通過數(shù)字監(jiān)控可以輕松快速地更改和優(yōu)化數(shù)字控制回路。此外，使用數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器需要更少的外部元件，

那些早期采用數(shù)字電源的人，包括那些建立數(shù)據(jù)中心設(shè)施的人，已經(jīng)看到了數(shù)字電源增強(qiáng)靈活性的許多優(yōu)勢(shì)。例如，Ericsson Power Designer 軟件的仿真能力可以快速確定每個(gè)電源軌上使用的電容器的優(yōu)化數(shù)量，以確保在廣泛的瞬態(tài)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性，從而節(jié)省大量時(shí)間并顯著加快產(chǎn)品上市時(shí)間. 這些工具還可用于對(duì)給定硅片具有多個(gè)負(fù)載的電源軌進(jìn)行跟蹤和排序。此外，輸出電壓可以即時(shí)更改，并具有監(jiān)控電壓、電流和溫度的能力。

在基于數(shù)字電源的系統(tǒng)中，IBC 和 PoL 轉(zhuǎn)換器之間的通信通過 PMBus 進(jìn)行，PMBus 是從 SMBus 發(fā)展而來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定義了中央控制器和電源模塊之間的物理連接和數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

軟件定義電源進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)字電源趨勢(shì)是重要的下一個(gè)演進(jìn)步驟，即軟件定義電源架構(gòu) (SPDA)。這引入了對(duì)數(shù)字電源的實(shí)時(shí)適應(yīng)性，并有可能將真正的節(jié)能和電源優(yōu)化板級(jí)功能帶入高級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。在 SPDA 中，高級(jí)處理器能夠使用軟件命令控制來調(diào)整輸出電壓以提高處理器性能或在低負(fù)載需求時(shí)降低電壓。

SPDA 本質(zhì)上是一種實(shí)現(xiàn)許多先進(jìn)技術(shù)的方案，包括動(dòng)態(tài)總線電壓 (DBV) 和自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 等概念，以及其他概念，包括分段功率分配或相位擴(kuò)展。作為 IBA 的演變，DBV 根據(jù)負(fù)載電流動(dòng)態(tài)調(diào)整 IBC 的中間總線電壓，以提供更高的功率轉(zhuǎn)換效率。AVS 是一種在現(xiàn)代高性能微處理器中優(yōu)化電源電壓和最小化能耗的技術(shù)。它使用實(shí)時(shí)閉環(huán)方法來調(diào)整輸出電壓，以優(yōu)化單個(gè)處理器的性能。

直接轉(zhuǎn)換第三個(gè)趨勢(shì)是直接轉(zhuǎn)換，它可能為許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商提供顯著優(yōu)勢(shì)。該原理涉及繞過 IBC 和 PoL 轉(zhuǎn)換器的使用，并部署一種新型高效電源模塊，可將數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中通常使用的 48V 總線電壓直接轉(zhuǎn)換為 PoL 板級(jí)電壓，該電壓可低于 1 V，但在單個(gè)功率級(jí)中（見圖2）。

圖 2：傳統(tǒng)的兩級(jí) IBC + POL 轉(zhuǎn)換器與直接轉(zhuǎn)換解決方案。

最新的 IBC 通常提供 95–96% 的效率；PoL 轉(zhuǎn)換器通?？梢蕴峁?90% 以上。然而，綜合能量損失可以將整體效率降低到大約 86.4%，而單個(gè)轉(zhuǎn)換器可以為相同的給定負(fù)載提供 89% 或更高的效率。

如前所述，直接轉(zhuǎn)換概念并不是一個(gè)新概念，但直接轉(zhuǎn)換 DC/DC 模塊的尺寸減小和具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格正在使架構(gòu)重新回到前沿。這種方法改變的最重要原因是由于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心不斷增加的功率要求和所需的 I 2降低而簡(jiǎn)化了電流分配R 分配損失。將 12 V 高電流分配到當(dāng)今數(shù)據(jù)中心中使用的一些前沿服務(wù)器機(jī)柜是令人望而卻步的，而且不切實(shí)際。但是，直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)可以在 48 V 而不是 12 V 下分配功率。為轉(zhuǎn)換器供電的總線僅承載在 12 V 下提供相同水平功率所需的電流的 25%，這也意味著減少銅母線和電纜的數(shù)量。

結(jié)論能源消耗是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商面臨的主要問題。將需要新的和先進(jìn)的電源架構(gòu)和技術(shù)來提高系統(tǒng)效率并降低成本以及碳排放。除了實(shí)施先進(jìn)的冷卻策略來處理散熱之外，重要的技術(shù)將包括硬件虛擬化、數(shù)字電源及其 SDPA 擴(kuò)展，以及在許多潛在應(yīng)用中的直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的部署。

審核編輯 黃昊宇