現(xiàn)代化生活方式和工作模式日益依賴存儲(chǔ)、訪問、處理和分享數(shù)據(jù)。我們能夠通過智能數(shù)字設(shè)備隨意創(chuàng)建內(nèi)容，并且通過互聯(lián)網(wǎng)立即發(fā)布。當(dāng)然，現(xiàn)代企業(yè)是在線數(shù)據(jù)的龐大用戶，政府機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)維護(hù)公共服務(wù)安全并且改善服務(wù)提供的質(zhì)量。

　　根據(jù)來自思科（Cisco）的資料，到2018年數(shù)據(jù)中心流量將會(huì)超過8.6 澤字節(jié)（Zettabytes），而且，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)速度更會(huì)超過固定的IP流量，日后5G技術(shù)的采用還將加速這一發(fā)展趨勢(shì)。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)變?yōu)槿f聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything），而且包括移動(dòng)在內(nèi)的更多生活方面日益變?yōu)?a target="_blank">電子方式管理，因此我們對(duì)于數(shù)據(jù)的依賴性一定會(huì)越來越強(qiáng)。自動(dòng)駕駛汽車將會(huì)帶來空前的數(shù)據(jù)收集、分析、分享和存儲(chǔ)需求，特別是眾多車輛和高速公路傳感器會(huì)從不同的角度監(jiān)視相同的事件。我們可以想像一下，未來世界將會(huì)有數(shù)萬億傳感器持續(xù)不斷收集和傳遞數(shù)據(jù)。而且，一些急性子的消費(fèi)者和實(shí)時(shí)服務(wù)（比如智能駕駛）將要求即時(shí)響應(yīng)，這進(jìn)一步加劇了對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的壓力。

　　圖1：萬聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything）正在滲透幾乎每一種應(yīng)用，帶來一個(gè)擁有數(shù)萬億個(gè)傳感器的持續(xù)收集、分享和分析數(shù)據(jù)的未來世界。

　　許多企業(yè)正在努力跟進(jìn)永無止境增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和存儲(chǔ)需求，同時(shí)還要努力控制運(yùn)營(yíng)成本。使得事情更糟的是，我們?cè)谏畹母鱾€(gè)方面對(duì)于數(shù)據(jù)服務(wù)的依賴性日益增長(zhǎng)，這意味著任何服務(wù)中斷的后果變得更加嚴(yán)重。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心是整個(gè)世界的現(xiàn)代化生活的基礎(chǔ)，當(dāng)然必需保持最高的可靠性和最大化的正常運(yùn)行時(shí)間。

　　值得一提的是，這些預(yù)測(cè)所提到的海量傳感器并非全部都是用于增強(qiáng)現(xiàn)已十分舒適的生活方式：一些業(yè)界支持的活動(dòng)，比如萬億傳感器峰會(huì)（TSensors Summit） ，向人們展示上萬億聯(lián)網(wǎng)傳感器將如何被用于幫助世界上最貧困地區(qū)應(yīng)對(duì)食物、能源、水、衛(wèi)生健康和教育短缺的問題。

　　對(duì)能源的需求

　　對(duì)于現(xiàn)今的數(shù)據(jù)服務(wù)供應(yīng)商來說，最大的運(yùn)營(yíng)成本就是來自于給計(jì)算機(jī)持續(xù)提供能源使其保持正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商知道，在三年的典型服務(wù)器使用壽命周期內(nèi)，給一臺(tái)服務(wù)器供電所需的費(fèi)用比購買整套硬件本身的費(fèi)用還要高。另外，為了保持推薦的工作溫度而使用空調(diào)等措施的費(fèi)用，也占據(jù)了運(yùn)營(yíng)成本很大的一部分。運(yùn)營(yíng)商積極降低這些成本費(fèi)用，以致于他們有意在斯堪的納維亞半島和美國(guó)北部等地區(qū)建立運(yùn)營(yíng)裝置，這些地區(qū)氣候寒冷，而且附近有水力發(fā)電等低成本的可靠能源。

　　現(xiàn)代化生活的始終連接特性，意味著對(duì)于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)的需求是極其動(dòng)態(tài)的。例如，社交媒體能夠?qū)?shí)時(shí)發(fā)生的世界事件做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，比如自然災(zāi)害或政治危機(jī)，甚至重大的體育賽事，這將導(dǎo)致突發(fā)猛增的數(shù)據(jù)傳輸流量。基礎(chǔ)架構(gòu)需要在所有條件下以最佳效率來運(yùn)行，并且處理好從最小到最大活動(dòng)性的快速轉(zhuǎn)換，而不影響服務(wù)的可用性。自適應(yīng)電源管理是這個(gè)世界滿足未來數(shù)據(jù)需求的必不可少的要素。

　　轉(zhuǎn)向軟件定義電源

　　數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師已經(jīng)成功地使用虛擬化技術(shù)來提高服務(wù)器的使用率，從而幫助降低大型設(shè)備成本和為閑置服務(wù)器供電的成本。虛擬化技術(shù)使得計(jì)算架構(gòu)變成軟件可定義的。與此同時(shí)，電源設(shè)計(jì)也有進(jìn)展。

　　許多數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)運(yùn)營(yíng)商正在從相對(duì)缺少靈活性的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字電源，后者具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可確保最佳的效率。然而，有些人仍然以看待模擬前期產(chǎn)品差不多的眼光來看待數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這樣就存在著這些數(shù)字轉(zhuǎn)換器只能發(fā)揮一小部分潛能的風(fēng)險(xiǎn)，無法有效地提升效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)電源架構(gòu)來說，下一個(gè)合理的發(fā)展是變成為軟件定義的架構(gòu)以充分利用數(shù)字電源的適應(yīng)性，并且引入軟件控制方法，根據(jù)運(yùn)營(yíng)情況的變化持續(xù)管理電源。

　　對(duì)于電源設(shè)計(jì)和開發(fā)人員，以及數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商來說，軟件定義的電源架構(gòu)均具有潛在的好處，在軟件級(jí)改變?cè)O(shè)計(jì)的能力，有望消除硬件設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，并且在未來加快完成項(xiàng)目的速度。幸運(yùn)地，我們可以快速、輕易地實(shí)施從模擬電源架構(gòu)向軟件定義電源的轉(zhuǎn)變，無需開發(fā)新的技術(shù)或設(shè)計(jì)IP。

　　在實(shí)際使用中，軟件定義的電源架構(gòu)將能夠應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營(yíng)商面臨的諸多挑戰(zhàn)，考慮到由于半導(dǎo)體工藝的變化而引致各個(gè)電路板之間存在微小差異，數(shù)字電源架構(gòu)已經(jīng)允許通過精細(xì)調(diào)節(jié)中間總線和負(fù)載點(diǎn)輸出電壓以優(yōu)化運(yùn)營(yíng)效率，還可補(bǔ)償溫度變化的影響。通過軟件處理這類調(diào)整可以提供寶貴的總體效率提升，然而這僅僅是實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)中的一小部分。軟件定義的電源架構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的顯著效率提升，并且?guī)椭纳破渌阅軈?shù)，比如可靠性和正常工作時(shí)間，方法可以是減小低需求期間對(duì)電源的應(yīng)力，并且實(shí)施預(yù)見性維護(hù)。此外，軟件定義的電源架構(gòu)可以通過激活或禁用電源來實(shí)現(xiàn)快速適應(yīng)以滿足需求，并且通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓來獲得最佳的效率。

　　現(xiàn)今的處理器使用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（Adaptive Voltage Scaling， AVS）技術(shù)，根據(jù)處理負(fù)載來自動(dòng)調(diào)節(jié)電源需求。在輕負(fù)載情況下，可以將電源電壓和運(yùn)作頻率減少到執(zhí)行任務(wù)所需的最小值。最新1.3版本PMBus標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)加入了支持自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)總線（Adaptive Voltage Scaling Bus， AVSBus）的要求。1.3版本PMBus標(biāo)準(zhǔn)是開放式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于電源設(shè)備之間的通信。除了先前可用的PMBus指令之外，AVSBus支持也允許處理器自動(dòng)調(diào)節(jié)到合適的POL輸出電壓，提供了另一個(gè)十分有效的工具。

　　在不斷變化的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)電源架構(gòu)來確保達(dá)到最佳運(yùn)作效率，不僅可以在電源中最大限度地減小能源轉(zhuǎn)換損耗，還可以最大限度地減少主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)，比如托盤風(fēng)扇和服務(wù)器房間空調(diào)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)消耗的能源。除了節(jié)省能源之外，還可以減少冷卻需求，以騰出更多的空間來安裝服務(wù)器、交換機(jī)或線路卡。

　　同時(shí)，軟件定義的電源架構(gòu)優(yōu)勢(shì)可以受益于可靠性的提高，連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓以保持最佳的效率，并且最大限度地減少發(fā)熱，并減少施加在中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC） 和負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器上的應(yīng)力，最終，軟件定義的電源架構(gòu)還能最大限度地減少電源故障引起的宕機(jī)時(shí)間。

　　實(shí)際的軟件定義電源

　　連接性提供了催化劑，把電源轉(zhuǎn)換器從一個(gè)個(gè)孤島改變?yōu)閰f(xié)作系統(tǒng)中互連的單元，這種協(xié)作系統(tǒng)能夠響應(yīng)位于軟件定義的電源架構(gòu)核心的中央控制器指令。開放式標(biāo)準(zhǔn) PMBus是理想的媒介，兼容PMBus的前端ac-dc電源、數(shù)字POL和IBC產(chǎn)品已經(jīng)面市，它們?yōu)殡娫垂?yīng)商開始為客戶搭建軟件定義的電源架構(gòu)，起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。

　　圖2：開放式標(biāo)準(zhǔn)PMBus是在軟件定義電源架構(gòu)中連接電壓轉(zhuǎn)換器的理想媒介

　　軟件定義電源正在增值供電應(yīng)用領(lǐng)域快速普及，在這些系統(tǒng)中，數(shù)字電源的特性同時(shí)為設(shè)計(jì)公司和最終用戶提供了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

　　不過，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要花費(fèi)時(shí)間來創(chuàng)建模型和開發(fā)算法，才可以充分利用軟件定義供電技術(shù)的“能力”。某些供應(yīng)商可能首先在電路板級(jí)實(shí)施軟件控制，后面再將機(jī)架和大功率轉(zhuǎn)換級(jí)部分帶入軟件定義的架構(gòu)中。另一些供應(yīng)商可能在大功率級(jí)開始設(shè)計(jì)，然后將軟件控制向前擴(kuò)展至機(jī)架及電路板級(jí)。此外，早期的控制算法可能比較簡(jiǎn)單，只需根據(jù)少數(shù)幾個(gè)參數(shù)來預(yù)測(cè)，但隨著時(shí)間的推移，由于需要更詳細(xì)地分析更大的數(shù)據(jù)集，所以算法也會(huì)變得越來越復(fù)雜。

　　隨著業(yè)界對(duì)這些技術(shù)的熟悉程度加深，而且在后續(xù)的項(xiàng)目中可以快速、高效使用并已通過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)不斷增多，未來的設(shè)計(jì)人員將能夠快速交付新的項(xiàng)目，并且集中精力開發(fā)額外的增值功能。其中可能包括預(yù)見性維護(hù)，幫助提升主要的性能標(biāo)準(zhǔn)，比如正常運(yùn)作時(shí)間，同時(shí)通過減低設(shè)備更換率來降低大型設(shè)備的成本支出。

　　CUI已經(jīng)在3kW PSE-3000等前端AC-DC電源以及Novum 系列 數(shù)字 IBC 和 非隔離型dc-dc數(shù)字POL轉(zhuǎn)換器中實(shí)施PMBus連接性。這些產(chǎn)品能夠通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與電壓轉(zhuǎn)換器通信，可以推動(dòng)設(shè)計(jì)人員構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字控制電源架構(gòu)。

　　IBC 備有多種標(biāo)準(zhǔn)模塊尺寸，并且支持動(dòng)態(tài)總線電壓（Dynamic Bus Voltage， DBV），后者允許隨著負(fù)載情況的改變來調(diào)節(jié)IBC電壓，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。可以經(jīng)由PMBus設(shè)置或通過安裝在基于IBC集成式ARM？微控制器上的電源優(yōu)化固件來設(shè)置電壓。在IBC級(jí)的DBV就像在負(fù)載點(diǎn)的AVS一樣，在最大化效率方面極有成效，方法是通過調(diào)節(jié)功率包絡(luò)來適應(yīng)負(fù)載條件，進(jìn)而最大限度地減少浪費(fèi)的能源。除了設(shè)置IBC電壓之外，PMBus接口還允許通過中央控制電壓余量、故障管理、精密延時(shí)爬升和啟動(dòng)/停止進(jìn)行研究。

　　Novum POL轉(zhuǎn)換器允許利用PMBus指令來進(jìn)行與IBC模塊相似的控制，并且可以實(shí)現(xiàn)軟件控制的電壓排序和跟蹤。

　　為了說明通過自動(dòng)適應(yīng)電源架構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果，考慮將平均效率達(dá)到95%的一個(gè)前端AC/DC電源，運(yùn)作效率為93%的IBC，以及一個(gè)運(yùn)作效率為 88%的負(fù)載點(diǎn)組合起來。在所有三個(gè)轉(zhuǎn)換器上，22.2%的輸入功率以熱量形式散發(fā)。如果每級(jí)效率只增加1%，能源耗散可以削減至19.6%，這相當(dāng)于 12%的改善，是非常顯著的效率提升。另外，冷卻負(fù)載的減小還可節(jié)省能源。

　　未來

　　隨著軟件定義的電源架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心和電信公司日益普及，業(yè)界必需依賴來自不同供應(yīng)商的電源模塊之間的互操作性。雖然PMBus在一定程度上實(shí)現(xiàn)了模塊間連接的標(biāo)準(zhǔn)化，但是，某些指令開放解釋，當(dāng)與不同制造商的轉(zhuǎn)換器共用時(shí)可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。為了克服這個(gè)問題，由CUI、愛立信電源（Ericsson Power Modules）和村田公司組成的AMP Group（現(xiàn)代電源架構(gòu)）聯(lián)手合作，在包括PMBus指令響應(yīng)的諸多軟件方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)外形尺寸和引腳配置等機(jī)械細(xì)節(jié)也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　圖3：AMP集團(tuán)成立旨在針對(duì)軟件定義電源應(yīng)用進(jìn)行協(xié)作和開發(fā)多來源解決方案

　　結(jié)論

　　軟件定義的電源架構(gòu)不僅可以在設(shè)計(jì)階段提供效率改進(jìn)和節(jié)能，還降低了基礎(chǔ)架構(gòu)擁有者所需負(fù)擔(dān)的運(yùn)營(yíng)成本。更進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)包括提高可靠性以及實(shí)施預(yù)見性維護(hù)的機(jī)會(huì)，最終帶來更長(zhǎng)的正常運(yùn)作時(shí)間。基于模擬的電源架構(gòu)正在快速朝向軟件定義的電源架構(gòu)演進(jìn)。隨著電源設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)日益熟悉這項(xiàng)技術(shù)，他們將能夠以高成本效益的快速方式提供日益全面、高效和可靠的電源系統(tǒng)。