數(shù)字電源轉(zhuǎn)換解決數(shù)據(jù)中心的功耗問題

在如今這個(gè)以內(nèi)容為主的社會(huì)，對(duì)于高性能計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)馬力的需求讓 IT 設(shè)備的功耗達(dá)到了前所未有的水平。因此，由于功耗而產(chǎn)生的運(yùn)營支出以及相應(yīng)的散熱要求，也越來越脫離控制。企業(yè)開始感覺經(jīng)濟(jì)緊張，而環(huán)境保護(hù)問題也讓政府將原本只面向能源星法案擴(kuò)大到企業(yè)設(shè)備。

這場(chǎng)“綠色 IT”行動(dòng)讓 IT 經(jīng)理們將低功耗作為采購產(chǎn)品的第一標(biāo)準(zhǔn)。OEM 也需要面對(duì)在不擴(kuò)大設(shè)備外形的情況下將其性能提高一倍的挑戰(zhàn)，并因而加倍功率密度?，F(xiàn)有的模擬產(chǎn)品方案卻讓 IT 設(shè)備廠商應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的能力受到了限制。

在大型數(shù)據(jù)中心的部署過程中，因功耗及散熱相關(guān)而產(chǎn)生的運(yùn)營支出問題更為嚴(yán)重。由Lawrence Berkeley Labs等組織進(jìn)行的多項(xiàng)研究顯示，在傳輸給數(shù)據(jù)中心的電能中，幾乎有59%的電能被浪費(fèi)在電能傳輸和散熱損耗中。Gartner 公司在 2006 年 11 月的一則報(bào)道中指出：“到 2008 年年底，全球?qū)⒂幸话氲臄?shù)據(jù)中心用電超標(biāo)”。

數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器大都有多余的電源。這意味著一個(gè)電源一般只以不高于其額定電源容量的 30%～50%來工作。另外，如今數(shù)據(jù)中心服務(wù)器大部分電能利用率只有 20%～40%，也就是說，其中的電源一般只以負(fù)載的 10%～20%運(yùn)行。盡管很多目前的服務(wù)器一般都擁有能滿足 80Plus 能效標(biāo)準(zhǔn)的電源，但這些電源是在全負(fù)載狀態(tài)下才是能效最高的。通過數(shù)字控制來以輕負(fù)載實(shí)現(xiàn)高能效

要設(shè)計(jì)能在輕負(fù)載狀況下高效工作的電源，最大的問題就是要克服巨大的固定損耗 - 這些損耗主要取決于電源所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。用來給內(nèi)部控制和通信電路供電的內(nèi)部管理和偏壓電源就是固定損耗的一個(gè)例子。目前很多方案都無法克服這些損耗問題，因?yàn)樗鼈兪悄M方案。

很多方案都號(hào)稱是數(shù)字方案，但實(shí)際上只是以一個(gè)集成硅方案代替了模擬器件，并通過這些集成硅方案來集成 PMBus 等行業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)真正的數(shù)字方案是可以利用電源以及數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)來提高輕負(fù)載能效等終端應(yīng)用能效的。例如，ColdWatt 公司的模塊式數(shù)字架構(gòu)就充分利用了可通過一個(gè)“真正的數(shù)字架構(gòu)”實(shí)現(xiàn)的靈活而復(fù)雜的控制。

這一模塊式數(shù)字架構(gòu)的基礎(chǔ)在于平臺(tái)具有的數(shù)字處理能力。它采用了各種處理元件，因此可以利用各種專有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，如磁技術(shù)和復(fù)雜的數(shù)控算法等。這些補(bǔ)充技術(shù)讓 ColdWatt 可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有電源轉(zhuǎn)換方案高出許多的電源轉(zhuǎn)換能效。復(fù)雜控制算法讓專有磁技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，從而將輕負(fù)債和重負(fù)載兩種情況下的損耗降至最低。

用于控制的復(fù)雜算法可以有效提供能效增益，因?yàn)樗鼈冇泻芨叩南到y(tǒng)感知能力，并且可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功耗響應(yīng)，以確保能效不會(huì)降低。數(shù)字架構(gòu)會(huì)持續(xù)記錄和監(jiān)控輸入/輸出電壓、電流、功率和溫度等關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一決策過程。該架構(gòu)增強(qiáng)了的處理能力可以用來給系統(tǒng)的其它部分提供額外的系統(tǒng)感知能力。

“黑匣子”功能

可靠性和可追蹤能力是對(duì)于當(dāng)今服務(wù)器 OEM 的關(guān)鍵要求。記錄并取回以上提到的重要系統(tǒng)參數(shù)的能力正日益成為一個(gè)要求。為此，ColdWatt 開發(fā)了一個(gè)電源的“黑匣子”功能，類似于飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)記錄器。這種技術(shù)讓關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)被儲(chǔ)存。這些數(shù)據(jù)隨后會(huì)被取回，并用來分析故障發(fā)生的原因以及如何在將來避免這種故障。

如圖 1 所示，OEM 可以利用 I2C 或 PMBus 的通信能力來連續(xù)取回?cái)?shù)據(jù)，以監(jiān)控系統(tǒng)功耗和能效，或者決定事件嚴(yán)重程度來關(guān)斷電源。OEM 還可利用這一信息，并根據(jù)電源的累計(jì)工作時(shí)間來預(yù)測(cè)故障，從而可以預(yù)先解決任何與系統(tǒng)各種組件工作壽命有關(guān)的可靠性問題。

正如前文所述，數(shù)據(jù)中心的功耗和散熱已經(jīng)成為一個(gè)重要問題。帶監(jiān)控功能的電源可以被系統(tǒng)用來確定每個(gè)服務(wù)器上的負(fù)載。該信息可以用來檢測(cè)熱區(qū)，并進(jìn)而將該服務(wù)器的任務(wù)重新分配給另一個(gè)溫度更低的服務(wù)器。另外，數(shù)據(jù)中心的操作員還可以利用功耗數(shù)據(jù)來確定其客戶的費(fèi)用，比如，在協(xié)同定位中，他們可以使用該數(shù)據(jù)來確定某個(gè)客戶實(shí)際使用了多少容量。

數(shù)字控制不僅能帶來更高級(jí)的系統(tǒng)功能，還能大大提高能效。從一個(gè)終端用戶的角度來講，能效增益的作用是巨大的。輕負(fù)載情況下的電源能效對(duì)整體功耗有巨大的影響。

例如，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在 20%的負(fù)載情況下，ColdWatt 的電源比現(xiàn)在的業(yè)界領(lǐng)先級(jí) 80Plus電源能效至少高 5%。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種可以計(jì)算更高效電源可節(jié)省的電能的工具。通過這一工具進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果顯示，在包含了 3 萬臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心里，用戶使用 ColdWatt 的電源比使用 80Plus 電源可以節(jié)省大約 100 萬美元的支出。這個(gè)數(shù)字不僅在經(jīng)濟(jì)上來說是巨大的，更令人映象深刻的是，這些被浪費(fèi)的電能可以供應(yīng)額外的 870個(gè)服務(wù)器，這可以讓用戶大大提高數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力。

用 ColdWatt 公司的電源產(chǎn)品來節(jié)能對(duì)環(huán)境的好處

隨著越來越多的業(yè)務(wù)和服務(wù)依賴于計(jì)算和處理能力，對(duì)于新型服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的需求也繼續(xù)增強(qiáng)。功耗不僅是一個(gè)涉及到財(cái)政支出的問題，也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)。

高效的電源對(duì)于解決這兩方面的問題都有積極作用。“綠格(Green Grid)計(jì)劃”和“計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)”等紛紛發(fā)起，都是為了解決這兩個(gè)問題。ColdWatt 公司是這兩個(gè)計(jì)劃的創(chuàng)始成員，并堅(jiān)信其電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品對(duì)行業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有積極作用。一個(gè)基于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換平臺(tái)的整體能效方案可以帶來很高的系統(tǒng)整體能效和更高的系統(tǒng)可靠性。