服務(wù)器配電：三五年內(nèi)48V將普及

在不久前的2016 Google開放計(jì)算峰會(huì)(OCS， Open Compute Summit)上，谷歌宣布了其推廣48V服務(wù)器和配電基礎(chǔ)設(shè)置計(jì)劃。一石激起千層浪，電源模塊廠商Vicor近日在上海舉行了記者見(jiàn)面會(huì)，介紹了48V配電的優(yōu)勢(shì)，及其48V直接到PoL(負(fù)載點(diǎn))電源模塊的方案及研發(fā)考慮。

以前服務(wù)器配電是AC到12V，然后12V進(jìn)機(jī)架;現(xiàn)在機(jī)架上的電源變成48V，之后48V進(jìn)機(jī)架。相比12V供電，48V配電的效率更高，而且系統(tǒng)架構(gòu)由于省去了UPS，成本將更低。

我國(guó)“天蝎計(jì)劃3.0版”有望支持48V配電?，F(xiàn)在急需建立48V的生態(tài)系統(tǒng)。另?yè)?jù)Vicor預(yù)測(cè)，現(xiàn)在全世界一年的服務(wù)器銷量約1000萬(wàn)臺(tái)，其中48V大概占1%或者2%，但在三五年后，全世界會(huì)有30%~50%的服務(wù)器是48V，可見(jiàn)這一領(lǐng)域增長(zhǎng)速度很快。

Vicor是至今唯一量產(chǎn)48V模塊的廠商，效率可達(dá)95%。方法是采用獨(dú)特的軟開關(guān)技術(shù)，而且在控制器IC、硅材料、封裝等方面進(jìn)行了改進(jìn)。該公司產(chǎn)品的研發(fā)計(jì)劃是每?jī)赡険p耗減少25%。

詳細(xì)介紹如下。

48V勢(shì)在必行

在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算里，因?yàn)橐郧暗姆?wù)器是機(jī)柜型，功率在5k~8kW用電量，在這種個(gè)情況下使用12V的總線，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)足夠。

但是隨著云計(jì)算的普及，隨著搜索、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的應(yīng)用激增，需要越來(lái)越多的大型計(jì)算機(jī)。所以機(jī)柜的容量(包括計(jì)算能力和功率/用電量)會(huì)越來(lái)越高，功率會(huì)從8kW到現(xiàn)在的12kW、15kW，甚至20kW及更高。

而傳統(tǒng)的12V已不能滿足需求，因12V不能應(yīng)對(duì)大電流。解決辦法之一是提升電壓到48V。

Vicor的方案是直接從48V到CPU、GPU或者內(nèi)存，“時(shí)至今日只有Vicor一家是量產(chǎn)的。而且Vicor做的效率還是全球之最高，體積也很小，比12V方案還要小，而效率還相等，這就是Vicor的長(zhǎng)處所在。”Vicor全球市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Philip D. Davies先生稱，“Vicor方案的效率可達(dá)95%，未來(lái)將做到96%。”

中國(guó)市場(chǎng)對(duì)48V的接受度如何?Google走在最前面，在國(guó)內(nèi)，廠家需要兩到三年才能夠跟上谷歌的步伐。據(jù)Vicor推測(cè)，中國(guó)的天蝎計(jì)劃3.0版本未來(lái)可能會(huì)引入48V。

因?yàn)樵贕oogle公布48V計(jì)劃之前，BAT(百度，阿里巴巴，騰訊)都知道48V，但很難推動(dòng)。但在公布計(jì)劃后，國(guó)內(nèi)便有了很大的興趣，很多人主動(dòng)來(lái)找到Vicor討論48V的可行性。因?yàn)樗麄冏顡?dān)心的不是技術(shù)，而是生態(tài)系統(tǒng)，還有能否得到效益。其實(shí)效益是顯而易見(jiàn)的：如果用雙倍的價(jià)格做48V，他們不愿意做，但是如果用差不多的價(jià)格，或者哪怕高一點(diǎn)的價(jià)格他們也愿意改動(dòng)，因?yàn)?8V對(duì)運(yùn)營(yíng)成本和能耗有利。像谷歌，從12V改到48V之后，能耗減少了30%，這樣便可以節(jié)省一大半筆電費(fèi)。在數(shù)據(jù)中心的硬件設(shè)備方面，可以全部去掉UPS，用48V的電池做備份即可。所以無(wú)論是設(shè)備還是用的數(shù)量上都可以減少?，F(xiàn)在最主要的問(wèn)題卡在主板上，首先目前的天蝎計(jì)劃里面沒(méi)有把48V放進(jìn)去，然后也沒(méi)有很多廠家能夠提供48V產(chǎn)品。

急需48V生態(tài)系統(tǒng)

因此，現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)不是技術(shù)上的問(wèn)題，主要是生態(tài)系統(tǒng)的問(wèn)題。

在生態(tài)系統(tǒng)方面。因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有太多廠家有48V的儲(chǔ)備，從AC到48V、從48V到CPU，48V做熱插拔、保護(hù)電路等，這些都要解決。需要很多廠家加入和參與。預(yù)計(jì)在未來(lái)一兩年會(huì)有很多廠家參與進(jìn)來(lái)。因?yàn)?8V并不是一個(gè)很新的概念。在通信傳輸上面，早就是48V，只是傳輸上的方案不能立刻用在現(xiàn)在的48V數(shù)據(jù)中心，需要一些改動(dòng)。其他廠家，包括芯片廠家和主板廠家，他們也會(huì)加入48V的行業(yè)。

Vicor是第一家能夠做48V到CPU供電的IC廠家，現(xiàn)在有其他家廠家正在跟進(jìn)，未來(lái)應(yīng)該會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)。不過(guò)，“Vicor歡迎競(jìng)爭(zhēng)，只有生態(tài)系統(tǒng)做大了，整個(gè)餅就做大了。”Vicor 亞太區(qū)銷售副總黃若煒說(shuō)。另外，12V到48V是一個(gè)過(guò)程，不會(huì)一蹴而就。在美國(guó)需要一兩年，而在中國(guó)需要兩三年時(shí)間。

48V的低損耗優(yōu)勢(shì)突出

理論上，48V使熱損耗只有原來(lái)的1/16。因?yàn)楫?dāng)你從12V提升到48V時(shí)，電流減少了4倍，熱損耗只有原來(lái)的1/16(注：P=U•I)。因此，48V不僅沒(méi)有增加熱損耗，還減少了16倍的熱損耗。工程師們都知道，P損耗=I2•R，電阻R不變的情況下，電流減少了4倍，然后再平方，當(dāng)然熱損耗就減少了16倍。

關(guān)于EMI，Intel發(fā)表了其主板上做的EMI的測(cè)試。如下圖，左側(cè)是傳統(tǒng)的多相12V母板，紅色代表雜音，可見(jiàn)上方的雜音和訊號(hào)很多，因?yàn)楫?dāng)給CPU供電時(shí)，有很多的切換的干擾的信號(hào)靠近CPU。如果用右圖的48V的Vicor方案，上部全是變成了綠色，可見(jiàn)Vicor的轉(zhuǎn)換是很干凈的。(注：兩圖的左側(cè)紅色部分是電感，噪音都較高，與本話題無(wú)關(guān)。)。

Vicor 48V方案的特點(diǎn)是：第一體積小，第二48V可以減少EMI干擾，同時(shí)干擾遠(yuǎn)離CPU。所以在同樣的板子上，CPU可以連接更多的高速數(shù)字接口;另外由于干擾小，傳輸?shù)男Ч谩?/p>

Vicor核心技術(shù)

Vicor與眾不同之處在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用真正的軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率可做得更高，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手高數(shù)倍;另外包括控制芯片在內(nèi)的技術(shù)是Vicor自主研發(fā)，因此效率可以做得很高，最終能夠向市場(chǎng)提供小體積、高可靠性和高效率的產(chǎn)品。

具體地，Vicor的拓?fù)浼夹g(shù)和其他公司是不一樣的，很容易實(shí)現(xiàn)從48到1V的轉(zhuǎn)換，還可以做到95%的效率。首先，從48V降到1V必須要達(dá)到93%的效率，否則從12V切換到48V毫無(wú)意義。因?yàn)槿绻惚旧淼男氏陆?，之前減少的損耗全部會(huì)在這個(gè)48V的轉(zhuǎn)移中補(bǔ)上，所以93%是起碼的要求。在現(xiàn)有的疊加的工藝?yán)锩?，?jìng)爭(zhēng)對(duì)手要用多相和很高頻率的48V轉(zhuǎn)1V的切換和轉(zhuǎn)移，在這一方面，效率是很難做到這一高效(93%)的。

一句話，切換時(shí)產(chǎn)生共振才會(huì)達(dá)到較好的效果，這比較難做到。當(dāng)然競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也有專利的方法，不過(guò)他們實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度。

應(yīng)對(duì)成本挑戰(zhàn)的策略：提高性價(jià)比

挑戰(zhàn)不在于技術(shù)，最關(guān)鍵的在于成本降下來(lái)，即性價(jià)比提升。“Vicor不是把價(jià)格降低，而是在同樣的密度價(jià)值增加，就是同樣的價(jià)格，你可以拿到兩到四倍的產(chǎn)品價(jià)值。”

對(duì)于Vicor的48V器件/模塊，最多增加10美元、20元，因此主板價(jià)格會(huì)偏高。但如果算上用電池代替UPS，以及節(jié)省電費(fèi)，整個(gè)的系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)帶來(lái)成本下降。

散熱和封裝的創(chuàng)新

Vicor的CEO——Patrizio Vinciarelli是封裝方面的專家，對(duì)封裝有很多好的創(chuàng)意。例如現(xiàn)在大部分業(yè)界仍然在用單面散熱，但Vicor已經(jīng)開始采用雙面甚至四面散熱，例如VIA封裝，能夠讓熱從每一個(gè)點(diǎn)都可以散出來(lái)。只有解決散熱問(wèn)題解決后，才能讓產(chǎn)品做得更小。

未來(lái)研發(fā)計(jì)劃

Vicor的48V產(chǎn)品的下一步發(fā)展計(jì)劃是什么?從Vicor推出48V到1V的產(chǎn)品以后，Vicor每?jī)赡甓家旬a(chǎn)品的損耗減少25%。進(jìn)步主要有三個(gè)方面：1.控制器IC是創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，讓其效率更高，2.MOSFET選用更好的材料，用來(lái)提升效率，在上面的磁芯材料上做了很多的創(chuàng)新，用來(lái)提升效率;3.未來(lái)Vicor會(huì)采用GaN材料等更多的新材料去提升效率。

但短期不會(huì)采用GaN，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的Si產(chǎn)品越來(lái)越好。因?yàn)楝F(xiàn)在，無(wú)論是功率密度的水準(zhǔn)還是過(guò)熱等現(xiàn)有問(wèn)題都可以通過(guò)提升電壓來(lái)解決，提升了電壓你便可以把電流減少，這樣你的系統(tǒng)中的損耗也可以相應(yīng)地減少很多，你的銅線也可以用較細(xì)的，總之很多問(wèn)題都可以用提升電壓來(lái)解決。

你也可以看到，無(wú)論是數(shù)據(jù)中心還是汽車上，以后都有可能把電壓提升到48V，但現(xiàn)在很多仍是12V。

Vicor能夠看到的趨勢(shì)是五六年之后，數(shù)據(jù)中心的電壓有可能不只是48V甚至更高壓。Vicor技術(shù)的特點(diǎn)在于非常適合從高壓到低壓的轉(zhuǎn)換，例如48V到1V的轉(zhuǎn)換，而且Vicor能做到高功率密度和小體積。