解决数据中心能耗问题的电力技术

作者： BOB CANTRELL爱立信电源模块高级应用工程师

在过去十年左右的时间里，全球数据中心消耗的能源急剧增加，从几乎为零增加到全球电力供应的 2% 以上。此外，全球温室气体排放量约占全球 2%。今天有预测，数据中心的能源消耗将在未来十年增加两倍，开始与中等规模经济体的整个国家的电力消耗相媲美甚至超过。

冷却问题对能源消耗的一个重要贡献领域是为使用大型空调装置和系统的设备提供必要的冷却。目前有几种方法可以减少该领域的消耗。第一个是许多主要数据中心提供商所追求的，是将最高环境温度提高到略高于服务器和其他设备运行的通常可接受的限制，但不足以引入重大的可靠性问题。第二种方法是从平均气温明显较低的气候中受益，并将数据中心定位在世界较凉爽的地区，例如斯堪的纳维亚/北欧国家：Facebook 等大公司已经在丹麦和瑞典建立设施。此外，这些国家，除其他外，越来越多地寻求可再生能源，包括基于水力发电的解决方案，以提供低碳电力供应。当然，这两种方法可以一起使用以降低能耗。

当今的电源架构对数据中心能耗的第二个贡献显然是服务器、大容量存储系统以及数据通信和网络设备运行所需的电源。在这一领域，业界正在寻求新的和创新的现代电力技术，以减少现代数据中心的能源消耗。从历史上看，至少可以追溯到 1980 年代，在电信和数据通信应用中，分布式电源架构一直占主导地位，其中交流线路电压经过整流，通常提供 48 Vdc，通过单独的板载和严格调节的点分配到服务器机柜-负载（PoL）转换器。

然而，这种架构在过去十年左右随着中间总线架构 (IBA) 的引入而进一步发展，其中 IBC（中间总线转换器）从 48V 总线下变频到 12V 的典型电压电平. 中间总线的建立主要是为了节省多个隔离DC/DC转换器的成本和体积。除了 IBC 之外，还有板载和非隔离式 PoL 转换器，可将 12 Vdc 中间总线进一步降低到处理器、ASIC、FPGA、内存 IC 和其他逻辑设备等板级组件所需的电压。根据为处理器或 FPGA 内核逻辑供电的需要，电压通常可以低于 1 V。

两个下变频级的部署具有在为 PoL 转换器供电的中间总线和 PoL 提供的负载电流之间提供最佳平衡的优势，这对于最大限度地提高系统级的功率转换效率很重要。选择 12 Vdc 电压电平是为了确保在网络数据流量较高时提供足够高的电压以提供负载或电路板所需的所有功率，同时降低配电损耗。但是，这种方法可能会导致效率低下，尤其是在流量需求低的情况下。中间总线架构的概述如图 1 所示。

图 1：典型数据中心或数据通信设施中的电压转换阶段。

然而，从交流线路到整个网络的整体效率约为 85%，这意味着系统中高达 15% 的功率因此以热量的形式被各种功率设备耗散掉。需要去除这些热量以实现高系统可靠性，或者至少在明确定义的可接受范围内。

趋势行业中存在许多寻求最大化效率、降低功耗和最小化成本的趋势。正在向基于软件的高级架构发展，例如软件定义网络 (SDN) 和网络功能虚拟化 (NFV)；越来越多地使用数字电源及其扩展是软件定义电源架构的出现；直接转换技术的重新出现，实际上已经存在了 35 年左右，将传统的 48-Vdc 线路直接下转换为处理器和其他逻辑 IC 所需的板级电压。

解决其中的第一个问题：SDN 本质上是将控制平面与数据平面分离——或将软件与硬件分离。应用软件不一定需要在特定的网络硬件上运行，但可能需要在数据中心的服务器上运行。此外，NFV 提供了显着的规模经济和标准化：可以在基于商用硬件的“虚拟机”上整合多种功能或应用程序。虚拟化当然可以为降低能耗做出贡献，但板级的软件控制也很关键。

数字电源第二个要素是数字电源。通常，传统的模拟开关模式电源转换器在最大负载之下达到峰值效率。例如，虽然在最大负载时效率仅略微降低，但在半负载或低需求时效率显着降低。其原因主要是由于使用了固定值电容器，该电容器用于确保在广泛的工作条件下稳定供电。缺点是缺乏灵活性，无法在潜在的负载范围内提供高或均匀的效率。然而，数字电源提供的可能性可以克服这一限制。通过数字监控可以轻松快速地更改和优化数字控制回路。此外，使用数字电源转换器需要更少的外部元件，

那些早期采用数字电源的人，包括那些建立数据中心设施的人，已经看到了数字电源增强灵活性的许多优势。例如，Ericsson Power Designer 软件的仿真能力可以快速确定每个电源轨上使用的电容器的优化数量，以确保在广泛的瞬态范围内保持稳定性，从而节省大量时间并显着加快产品上市时间. 这些工具还可用于对给定硅片具有多个负载的电源轨进行跟踪和排序。此外，输出电压可以即时更改，并具有监控电压、电流和温度的能力。

在基于数字电源的系统中，IBC 和 PoL 转换器之间的通信通过 PMBus 进行，PMBus 是从 SMBus 发展而来的行业标准，定义了中央控制器和电源模块之间的物理连接和数据交换协议。

软件定义电源进一步扩展数字电源趋势是重要的下一个演进步骤，即软件定义电源架构 (SPDA)。这引入了对数字电源的实时适应性，并有可能将真正的节能和电源优化板级功能带入高级网络应用程序。在 SPDA 中，高级处理器能够使用软件命令控制来调整输出电压以提高处理器性能或在低负载需求时降低电压。

SPDA 本质上是一种实现许多先进技术的方案，包括动态总线电压 (DBV) 和自适应电压缩放 (AVS) 等概念，以及其他概念，包括分段功率分配或相位扩展。作为 IBA 的演变，DBV 根据负载电流动态调整 IBC 的中间总线电压，以提供更高的功率转换效率。AVS 是一种在现代高性能微处理器中优化电源电压和最小化能耗的技术。它使用实时闭环方法来调整输出电压，以优化单个处理器的性能。

直接转换第三个趋势是直接转换，它可能为许多数据中心运营商提供显着优势。该原理涉及绕过 IBC 和 PoL 转换器的使用，并部署一种新型高效电源模块，可将数据通信应用中通常使用的 48V 总线电压直接转换为 PoL 板级电压，该电压可低于 1 V，但在单个功率级中（见图2）。

图 2：传统的两级 IBC + POL 转换器与直接转换解决方案。

最新的 IBC 通常提供 95–96% 的效率；PoL 转换器通常可以提供 90% 以上。然而，综合能量损失可以将整体效率降低到大约 86.4%，而单个转换器可以为相同的给定负载提供 89% 或更高的效率。

如前所述，直接转换概念并不是一个新概念，但直接转换 DC/DC 模块的尺寸减小和具有竞争力的价格正在使架构重新回到前沿。这种方法改变的最重要原因是由于现代数据中心不断增加的功率要求和所需的 I 2降低而简化了电流分配R 分配损失。将 12 V 高电流分配到当今数据中心中使用的一些前沿服务器机柜是令人望而却步的，而且不切实际。但是，直接转换架构可以在 48 V 而不是 12 V 下分配功率。为转换器供电的总线仅承载在 12 V 下提供相同水平功率所需的电流的 25%，这也意味着减少铜母线和电缆的数量。

结论能源消耗是数据中心运营商面临的主要问题。将需要新的和先进的电源架构和技术来提高系统效率并降低成本以及碳排放。除了实施先进的冷却策略来处理散热之外，重要的技术将包括硬件虚拟化、数字电源及其 SDPA 扩展，以及在许多潜在应用中的直接转换架构的部署。

审核编辑 黄昊宇