数据中心不断演进以满足 AI 的巨大电力需求

随着大型语言模型彻底改变我们访问数据的方式，人工智能(AI) 的进步正在颠覆各行各业及社会对数据中心计算资源的运用模式。我们正逐步进入能够直接向 AI 提问并获取详尽答案的时代，这与向真人提问无异，而非仅仅在搜索引擎中输入特定关键词。当然，这仅是 AI 能力的冰山一角。AI 还能编写代码、生成图像和视频、完成会议记录与纪要。为实现所有这些 AI 功能，需要的电力急剧攀升。

要提供如此大的电力并确保AI 能够充分发挥其潜力，需要重新构想数据中心的 IT 服务器机架结构，以及获取与输送电力的最佳方式。本文将深入探讨三个核心议题：数据中心如何获取电力并输送至执行计算任务的服务器功能；为何必须改变配电架构才能满足快速演进的 AI 计算与电力需求；以及如何实现这种变革。

图1 展示了 IT 服务器机架级电力需求随时间的变化趋势。图 1 预计，到 2028 年单个 IT 机架将需要 1.5MW 的电力，这是当前服务器机架所消耗电力的 10 倍。

图1. 机架级电力需求

演进简史

为理解数据中心与服务器内电力输送网络所发生的巨大变革，我们有必要先回顾一下当前的架构。图2 所示为第一代配电架构，自 20 世纪 90 年代至今，该架构一直在服务器和数据中心领域占据主导地位。图 2 的左上区域为来自交流电网的三相交流电。此电力通过变压器从约 13kV 的“中压”降为 480V 交流线电压。不间断电源 (UPS) 为此电压提供缓冲。

当交流电网断电时，UPS 利用本地蓄电池和逆变器功能维持数据中心服务器的运行，直至自动转换开关 (ATS) 或静态转换开关 (STS) 启动备用发电机接管供电。480V 交流线电压相当于 277VAC 相电压。

将277VAC 的三相电力输送至 IT 服务器机架后，电源单元 (PSU) 将执行功率因数校正 (PFC) 并生成稳定的 12V 输出，以便分配至服务器 IT 托盘。这种 12V 配电电压适用于第一代架构，为各种负载、电压稳压器和其他负载点稳压器 (PoL) 供电，产生电压以为整个服务器托盘中使用的处理器、存储器和通信集成电路供电。当总机架功率约为 10kW 至 20kW 时，这种架构运行良好。然而，随着对更高计算能力的需求增加，支撑这些计算功能所需的电力也在增加。

图2. 第一代传统机架服务器

图3 展示了数据中心配电架构的下一次演进。从图 3 的左上区域可见，此架构起始于相同的中压输入电源。与第一代架构类似，变压器将三相 13kV 转换为 480VAC 线电压。此架构不再采用 UPS，而是将等效的 277VAC 相电压直接输送至 IT 机架内部的本地 PSU。这些 PSU 不再专用于每个服务器托盘，而是整合在统一的电源架中。在此背景下，电源架本质就是一组电源，其输出共同承担 IT 设备的负载需求。

N+1 配置中的每个电源架通常包含六个 PSU，以实现冗余。可通过添加电源架来满足 IT 机架的总电力需求。这些电源架输出 50VDC 总线电压，通过沿服务器机架背面铺设的大电流汇流排分配至各个 IT 托盘。一些第二代装置保留了 UPS 功能，而其他装置会将其移除（如图 3 所示）并替换为本地电池备份单元 (BBU)，使 50VDC 总线维持供电，直至电源恢复或备用发电机接管供电。在某些情况下，电容器架或电容器备用单元 (CBU) 有助于消除与任何电源中断相关的过大电压瞬变和电流瞬变。每个 IT 托盘内的 50V 总线连接到本地中间总线转换器，产生为 IT 托盘中系统负载供电所需的 12V 电压。

图3. 第二代 — 云与 AI 计算

第二代架构使IT 机架负载能力突破第一代架构限制，实际负载可达 100kW 级别。一旦所需的总功率开始达到 200kW 左右，配电损耗就会显著增加，导致进一步提升功率变得不切实际。

AI 数据中心电力输送

负责运行高级AI 模型的数据中心机架预计在 2028 年前突破 1MW 功率。假设汇流条电压为 50V，在第二代架构中配送这一功率需要产生 20,000A 的电流。输送如此大电流所需的汇流条将会很重、成本高昂且不切实际。因此，新型 AI IT 服务器机架采用 800VDC 或 ±400VDC 的更高电压总线进行配电，可以将汇流排的大电流要求从 20kA 降低到 1.25kA。这种量级的电流降低将有助于保持较高的整体电力输送效率，并支持使用体积更小、密度更低的铜汇流排。图 4 展示了这一架构。

第二代架构的电源架被侧装式电源舱取代，侧装式电源舱将三相480VAC 电网电压作为其输入。侧装式电源舱将此输入转换为 800VDC 或 ±400VDC 总线电压并配送到一个或多个 IT 服务器机架。侧装式电源舱现在还包括 BBU。除了提高配电效率，第三代架构还在 IT 机架中为计算功能提供了更多空间。

从某种意义上讲，提升IT 服务器机架的计算密度比解决配电问题更为关键。为了让 AI 发挥最佳功能，基于 AI 的 IT 机架会使用数百个处理器来快速处理所需的计算量。这些处理器需要能够在高密度的封装空间中相互通信。从 IT 机架中移除大部分电源转换功能后，可以在更小的空间内安装更多的处理器。现在，机架中的每个 IT 托盘都以此 800VDC 或 ±400VDC 总线电压作为输入。然后，托盘中的中间总线转换器将该电压转换为 IT 托盘上的配电电压。根据所选架构，配电电压可以是 48V、12V 甚至 6V。

图4. 第三代 — AI 计算直流配电侧装式电源舱

未来将如何发展？

尽管第三代架构可以提升配电效率并显著增加IT 机架内的计算密度，但这样做的代价是会占用数据中心 IT 机房的更多空间。因此，数据中心演进的下一步是将侧装式电源舱的 AC/DC 电源转换功能从 IT 机房迁移至配电室。

图5 展示了第四代架构的规划方案。在此架构中，侧装式电源舱保留 BBU 功能，而 AC/DC 转换功能则移入固态变压器 (SST)。第一、二、三代架构的输入电压均为电网提供的 13kV 中压。该电压被变压为三相 480VAC 配电总线电压，然后转换为直流配电总线电压。SST 同时取代了 13kV 变压器和 480VDC 至 800VDC 或 ±400VDC 电源转换环节。SST 在单个电力转换阶段实现 PFC 功能、电压降压和直流转换。备用发电机现在需要连接至中压节点，或通过 AC/DC 转换器接入 SST 输出端。最终实现了更高效的配电网络，并为 IT 机房腾出更多计算空间。

图 5 . 第四代— AI 计算 SST 与直流配电

实现愿景的技术支撑

每一代配电架构都需要大量的精密电源转换功能。这些功能包括PFC、800VDC 或 ±400VDC DC/DC 转换、二极管 ORing、均流、热插拔、保护、控制及功率计量。先进半导体技术是确保各项功能实现极致性能与效率的关键。例如：

• 执行 PFC 并生成直流总线电压需要实时微控制器。

• 实现电感器-电感器-电容器 (LLC) 和 PFC 等拓扑需要高效的宽带隙半导体开关。

• 支持功率计量、控制与保护需要精确的电流和电压检测。

• 为系统内各种隔离式开关供电需要小尺寸、高效的偏置电源和栅极驱动器。

结语

AI 正在改变我们与信息和数据的交互方式。为了满足电力转换需求，数据中心亟需新型配电架构。本系列的后续文章将深入解析 PSU，探讨储能，分析中间总线转换器与电压稳压器的发展趋势，以及阐释支撑这些功能的主要技术和半导体解决方案。