數(shù)據(jù)中心對電源的要求探析

3月9日，google在會上宣布加入由 Facebook 發(fā)起的OCP計劃，并將自己在數(shù)據(jù)中心設(shè)計的研究結(jié)果捐獻出來，所捐出的48V電源的機架設(shè)計包含48V伺服器至負載點設(shè)計、機架層48V鋰離子不斷電系統(tǒng)等，Google已采用此架構(gòu)平穩(wěn)運行數(shù)年之久。該新聞引發(fā)全球廣泛轉(zhuǎn)載。

數(shù)據(jù)中心的耗電量占全球耗電量的1.5%左右，而且還在攀升。對數(shù)據(jù)中心的供電優(yōu)化，降低PUE將有助于減少炭排放，減緩全球溫度升高。

從下圖我們可以看到google數(shù)據(jù)中心PUE的提升歷程，目前已經(jīng)可以做到1.1以內(nèi)，而同期國內(nèi)的PUE平均在2.2左右，有巨大差異。

從2010年開始google就開始研發(fā)48V機架式電源分配系統(tǒng)并在其后幾年大規(guī)模投入使用。這也為PUE的持續(xù)降低做出了貢獻。

48V電源分配系統(tǒng)在CT設(shè)備中已經(jīng)廣泛使用了幾十年，而在IT設(shè)備中一直采用的是12V。根據(jù)公式P=UI和Q=I^2R，我們知道更高的電壓意味著更低的電流，更低的線路損耗。如果傳輸相同的功率，那么線路上的損耗相差為16倍。對于上千安培的母線電流來說，細微的阻抗也會導(dǎo)致很大的功率損耗。隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)吞吐量運算量的不斷提升，機架的功率持續(xù)上升。最近VR(虛擬現(xiàn)實技術(shù))紅遍全球，虛擬現(xiàn)實技術(shù)會帶來海量的圖形計算，將會有更多的大功率GPU使用在機房中，帶來海量的數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致ICT設(shè)備的單機功耗增加，勢必會進一步推高數(shù)據(jù)中心對電能的需求。根據(jù)google公布的數(shù)據(jù)，采用了 48 V電源分配器的新機架設(shè)計，相比傳統(tǒng)的12V方案，電力的損耗降低了 30%。

懷格(Vicor)上海有限公司商務(wù)拓展經(jīng)理陳歷忠

國內(nèi)的BAT三大巨頭也在積極推動技術(shù)的發(fā)展，從天蝎1.0到最新發(fā)布的天蝎2.5無不體現(xiàn)出對效率性能的提升優(yōu)化。我們在天蝎2.5版本中看到了48V的身影。在這個版本中，12V仍然作為工作母線，48V在機架中作為市電直供的電池備份系統(tǒng)。近期和業(yè)內(nèi)資深專家交流得知，天蝎2.5只是作為一個過渡的版本，將于明年頒布的天蝎3.0版本將把48V作為母線電壓，直接為機架供電。為未來的發(fā)展預(yù)留了良好的發(fā)展空間。

在此，我們可以堅定地說，數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)將由12V轉(zhuǎn)到48V。

在采用48V機架配電系統(tǒng)后，48V電源將直接供給服務(wù)器和通訊設(shè)備主板。從48V到負載點有以下兩種方式：

如果通過采用48V-12V-POL的供電方式，雖然這樣可以沿用成熟的12V板載電源方案，但是經(jīng)過兩級轉(zhuǎn)換，犧牲了效率，那么采用48V提升系統(tǒng)效率的初衷將不能實現(xiàn)，對長時間運營的數(shù)據(jù)中心來說，效率的提升能有效減少運營費用。采用48V直接到負載點的方式將是提升效率的關(guān)鍵所在。

Vicor的48V直接到低壓大電流負載點的方案已經(jīng)在google的數(shù)據(jù)中心大量使用，為其30%的效率提升作出了杰出貢獻。

Vicor的48V架構(gòu)稱為FPA，包括兩個部分構(gòu)成。前端為采用深降壓拓撲結(jié)構(gòu)的預(yù)穩(wěn)壓模塊(PRM)，后端為采用專利正弦幅值變換器(SAC)的電壓變壓模塊(VTM)。

PRM輸出一個母線電壓，40V左右，VTM為理想直流變壓器，以固定變壓因子輸出一個低壓大電流的功率(61mmX23mm的面積里面可以輸出高達180A的電流)。比如，輸入端為48V，要求1.8V 100A輸出，那么可以采用24:1的VTM，此時PRM的輸出電壓將為1.8*24=43.2V。 采用不同變壓因子的VTM，調(diào)整PRM的輸出，可以非常高效地實現(xiàn)48V到POL的供電。上圖中的 53.5V轉(zhuǎn)1.8V 的VR13.0方案可以實現(xiàn)94%的峰值效率。

在服務(wù)器或者交換路由器中， CPU，memory,ACIS, FPGA這類低電壓大電流芯片為耗電大戶。高效地解決這些負載點是實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵。

下面的電源路徑為采用Vicor 的VR13.0V主板整體電源方案。深藍色的部分為Vicor的48V高效轉(zhuǎn)換器。

數(shù)據(jù)中心最新的電源架構(gòu)變化必將影響電源公司的產(chǎn)品策略，48V直接到負載點的應(yīng)用生態(tài)將日益完善，而Vicor憑借其的天獨厚的效率和密度優(yōu)勢，占得了先機。