快速增長的數(shù)字宇宙中的服務(wù)器電源

48等于新的12

到2020年末，數(shù)字宇宙 —— 一年內(nèi)創(chuàng)建、復(fù)制和消耗的所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的度量單位——將達(dá)到40澤字節(jié)(ZB，40×1024字節(jié))，這相當(dāng)于在2010年基礎(chǔ)上增長了50倍[1]。據(jù)思科系統(tǒng)公司(Cisco Systems)預(yù)測，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過1澤字節(jié)大關(guān)[2]。這些趨勢代表了推動中型和大型服務(wù)器應(yīng)用規(guī)模的數(shù)據(jù)環(huán)境變化的兩個指標(biāo)。

越來越多的訪問，更加密集的內(nèi)容，不斷擴(kuò)大的資源

消費者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數(shù)據(jù)傳輸空前的增長。思科預(yù)測，2012年至2017年間消費者IP流量的年復(fù)合增長率(CAGR)為23%，主要由北美和亞太地區(qū)的用戶貢獻(xiàn)(見圖1)。但是，全球所有地區(qū)新用戶的增長速度均低于5%(見表1)。

圖字：按地區(qū)劃分的年度消費者IP流量[艾字節(jié)，EB]

北美 – 23% CAGR

亞太 - 26% CAGR

西歐 - 17% CAGR

中東歐 - 24% CAGR

南美 – 17% CAGR

中東及非洲 – 42% CAGR

年

圖1：預(yù)計全球年度消費者IP流量年均復(fù)合增長率將增長23%，遠(yuǎn)高于將支持的新用戶增長速度。

數(shù)據(jù)來源：思科系統(tǒng)公司。

表1：按照地區(qū)劃分的全球互聯(lián)網(wǎng)接入市場滲透。資料來源：聯(lián)合國。

有三個關(guān)鍵因素導(dǎo)致了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長速度的快速流量增長。典型手機(jī)用戶平均每天約144次查看他們的設(shè)備，產(chǎn)生了IP流量時間的46%[3]。由于公共熱點提供的基本接入無處不在，便攜式設(shè)備為用戶提供了在辦公和家庭范圍之外全天候獲取信息、通信和娛樂服務(wù)的方便。自2009年以來，一個正在加速的趨勢是，便攜式設(shè)備占整體流量的比例越來越大，以其目前的軌跡，到2015年中期將達(dá)到30%(見表2)。

表2：2009 - 2013年移動流量占總互聯(lián)網(wǎng)流量的百分比。數(shù)據(jù)來源StatCounter。

內(nèi)容也已經(jīng)從主要基于文本轉(zhuǎn)向主要基于媒體。一張圖片的大小值可能是1000個字，而一個圖像可能很容易地占用五十萬字個字以上的數(shù)據(jù)空間。視頻是不斷增長的數(shù)據(jù)組合的一部分。僅YouTube上傳的視頻就已經(jīng)從2009年的每分鐘20小時增加到2013年的每分鐘100小時。

內(nèi)容提供商已經(jīng)通過各種任何東西點播(anything-on-demand，XOD)門戶網(wǎng)站在線提供了完整的電視劇和全長影片。大部分生產(chǎn)設(shè)施都已轉(zhuǎn)換到高清(HD)視頻格式，這需要標(biāo)清(SD)視頻四到五倍的帶寬。到2015年，視頻剪輯和流媒體電視節(jié)目的流量預(yù)計將超過網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

現(xiàn)在，連網(wǎng)的設(shè)備比地球上的人還要多，設(shè)備的增長速度超過了人口的增長。思科預(yù)計，到2017年機(jī)器對機(jī)器(M2M)應(yīng)用中將有60億部設(shè)備貢獻(xiàn)IP流量。

增長的服務(wù)器密度

為了支持這一史無前例的流量增長，預(yù)計全球平均固定寬帶速度將從2012年的11 Mbps提高到2017年的39 Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎(chǔ)設(shè)施項目可能會實現(xiàn)光纖到戶(FTTP)，提供高達(dá)1 Gbps的服務(wù)。

作為響應(yīng)措施，服務(wù)器都采用了多核處理器，并增加了每個板的處理器數(shù)量。整體機(jī)架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機(jī)架7臺服務(wù)器達(dá)到2010年的每機(jī)架20臺服務(wù)器。機(jī)架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機(jī)架達(dá)到2007年的10 kW/機(jī)架，今天許多新安裝的設(shè)備超過了20 kW/機(jī)架。

對于新設(shè)備和那些正在升級的服務(wù)器，這些趨勢已經(jīng)很難繼續(xù)用使用單相AC-DC轉(zhuǎn)換器的12 V電壓在機(jī)架級分配電能。

12 V配電的挑戰(zhàn)

基于12 V配電的典型服務(wù)器機(jī)架使用一個電力輸送單元(PDU)，包括EMI電源濾波器和一個有480 V三相輸入和277 V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機(jī)架的AC-DC轉(zhuǎn)換器供電。要為一個10 kW機(jī)架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉(zhuǎn)換器必須為其IT負(fù)載組合提供超過800 A功率。原理圖示例如圖2所示。

圖字：UPS + PDU(包括電池和變壓器)

圖2：有單相AC配電和12 V服務(wù)器主板的高密度計算機(jī)架示意圖。

這些銀盒獨立工作，無需同步，導(dǎo)致其輸入電流波形出現(xiàn)了更豐富的諧波含量。轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正(PFC)電路可正確輸入相對于輸入電壓波形的電流波形，但隨著銀盒制造商在努力提高功率轉(zhuǎn)換效率，AC線路上的諧波含量也在不斷增加[5]。

例如，那些符合80-Plus Gold認(rèn)證的銀盒可提供92%的峰值效率，產(chǎn)生其輸入電流波形約5%的總諧波失真(THD)(相對于基波頻率)。符合80-Plus Titanium認(rèn)證的AC/DC轉(zhuǎn)換器可提供96%的峰值效率，產(chǎn)生約12%的總諧波失真。

此外，銀盒是異步操作，因此所產(chǎn)生的諧波電流與上游AC線相互作用，且通常在PDU或不間斷電源(UPS)中的三相變壓器內(nèi)組合，從而產(chǎn)生更寬的中、低頻諧波(幾Hz到幾kHz)。

最近的研究[5，6]表明，當(dāng)一個線路變壓器的電流波形的總諧波失真超過5%時，每增加2%的總諧波失真可產(chǎn)生額外1%的總功率損耗，通常發(fā)生在PDU(或UPS，或兩者)中。對于一個為80-Plus Titanium AC-DC轉(zhuǎn)換器供電的10 kW系統(tǒng)，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當(dāng)于PDU耗散了350 W。系統(tǒng)設(shè)計人員必須估計PDU的大小，以適應(yīng)額外損耗，從而增加了機(jī)架的安裝成本，并影響整個系統(tǒng)的可靠性。

最終，隨著機(jī)架功率的持續(xù)增加，12 V配電開始出現(xiàn)更基本的問題。由于個別主板增加了內(nèi)核、內(nèi)存和I/O，細(xì)分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實際和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會對整體機(jī)架密度產(chǎn)生負(fù)面的影響。在20 kW/機(jī)柜中，12 V電源架必須提供凈1.7 kA，而機(jī)架供電要求并沒有停滯不前。

48等于新的12

48 V配電設(shè)計在一些重要方面不同于超過配電方案操作潛力的12 V系統(tǒng)。最值得注意的是，48 V配電系統(tǒng)可以用一個400 V/480 V三相整流器來替代PDU變壓器和銀盒(原理圖示例如圖3所示)。一個現(xiàn)代整流器可產(chǎn)生約3%的總諧波失真，且很少超過5%，即使是在輕負(fù)載條件下。整流器數(shù)目的減少(由于較高的單位功率)和線路電流所消耗的本來就較低的諧波含量，導(dǎo)致系統(tǒng)級電流波形諧波要低得多。

圖字：48 V電池

整流器

48 V電池

54 V服務(wù)器，700 W

整流器

圖3：有54 V DC配電和集成短期備份的高密度計算機(jī)架示意圖。

服務(wù)器運營商可以充分利用現(xiàn)有400 V/480 V三相AC至48 V DC設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這些設(shè)備已在電信和其他48 V應(yīng)用中廣泛使用。一個典型10 kW單元僅需2U(89 mm)的機(jī)架高度，即可提供≥97%的轉(zhuǎn)換效率和<5%的總諧波失真。相比之下，400 V/480 V三相到12 V整流器是不實用的，因為它有非常高的電流輸出。

導(dǎo)通損耗和導(dǎo)線尺寸的實際限制限制了電力可以經(jīng)濟(jì)地傳輸(基于12 V機(jī)架的系統(tǒng))達(dá)到約5kW的距離。使用相同輸電基礎(chǔ)架構(gòu)的48 V配電可以提供20 kW——足以從一個三相整流器為整個服務(wù)器機(jī)架供電。

消除了機(jī)架中單相AC的DC配電戰(zhàn)略還簡化了電池備份的實現(xiàn)：電池組不需要通過一臺UPS逆變器來升頻轉(zhuǎn)換(up convert)，進(jìn)而驅(qū)動AC-DC轉(zhuǎn)換器。相反，48 V備用電池可以通過一個管理轉(zhuǎn)換、電池充電、電池監(jiān)測和狀態(tài)報告的最小控制界面來驅(qū)動IT負(fù)載。

日益轉(zhuǎn)向48 V配電要求系統(tǒng)設(shè)計人員重新思考自己的板電源(board-power)策略。有幾個可以考慮的選項，不過也有一些比12 V設(shè)計使用的選項更簡單和尺寸更小。一個例子是Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計，它可以消除一個中間轉(zhuǎn)換級。Vicor的方法避免了多相位轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少了元件數(shù)量，并有助于在流行的36-60 V電信電壓范圍實現(xiàn)直接連接電源(包括備份)。元件數(shù)量的減少和更小的儲能要求允許設(shè)計人員讓電源傳送電路(power train)更靠近處理器，進(jìn)而降低與PCB走線長度大致成正比的損耗和寄生電感。

對于處理器和內(nèi)存之外的板上負(fù)載，單級降壓預(yù)計將實現(xiàn)整個服務(wù)器板的48 V配電。隨著越來越高的功率密度需求，散熱設(shè)計成為了一個日益受到關(guān)注的問題。封裝技術(shù)，如Vicor的轉(zhuǎn)換器級封裝(Converter housed in Package，ChiP)平臺兼容了雙面冷卻，可以簡化熱-機(jī)械設(shè)計。

總體而言，48 V配電設(shè)計比12 V方案使用材料的更少。其機(jī)架級材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應(yīng)是更高的可靠性、更好的可擴(kuò)展性和更高的功率密度。

今天，服務(wù)器群的電力需求從早年的1 kW/機(jī)架增加到了20 kW。數(shù)據(jù)流量趨勢正在加速，預(yù)計在不久的將來需求將達(dá)到30 kW/機(jī)架。

在一段距離上的電流幅值和功率傳遞的實際限制迫使人們安裝高密度服務(wù)器，從12 V配電轉(zhuǎn)向48 V設(shè)計。這種轉(zhuǎn)變帶來的是12 V系統(tǒng)無法提供的好處。

當(dāng)板上轉(zhuǎn)換器直接以48 V運行時，48 V電源特別具有吸引力。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少元件數(shù)量、能量儲存和損耗，同時提高可靠性。諸如ChiP的新的封裝技術(shù)允許雙面冷卻并簡化散熱設(shè)計。

48 V DC配電提供了一個可以隨預(yù)見的服務(wù)器部署規(guī)模提升的高功率密度。

Vicor

參考文獻(xiàn)：

1. Digital Universe Study, IDC, Sponsored by EMC, December 2012.

2. Cisco Visual Networking Index： Forecast and Methodology, 2012-2017, Cisco Systems, May 2013.

3. Meeker, Mary and Liang Wu, Internet Trends D11 Conference (presentation), KPCB, May 29, 2013.

4. Surge in video will drive global data traffic to more than 60,000 Petabytes in 2016, ABIresearch, May 10, 2011.

5. Data Center power system harmonics： an overview of effects on data center efficiency and reliability, The Green Grid, 2013.

6. The cost of Harmonic Losses and mitigations in distribution systems, 18th International Conference on

Electricity Distribution, 6-9 June 2005.