資料介紹
數據中心的供電成本,一直是運營商們日益增長的一大關注點。雖然從資產負債表來看,執行有效工作所消耗的電力的費用支出確實能夠創收,但電氣效率低下卻造成了大量的電力損失——這從服務器和電源模塊輻射的熱量中就可以感覺到,或從空調或其他冷卻系統的嗡嗡聲中也能夠聽到。更重要的是,這為財務帶來的負擔必須要盡可能地減小。
一個可實現改進的地方,是向數據中心服務器的供電。今天,甚至一個服務器卡就可能消耗超過1kW電能。大型的數據中心中可能包含數百個機架,在這樣的場景中,服務器是通過一個大容量AC/DC電源引出的電源模塊網絡進行供電,而這個大容量AC/DC電源又由電力公司提供的交流線路供電。其通常為作為不間斷電源(UPS)的一部分的一組備用電池供電。UPS可以提供通常為380V的高壓直流輸出,用于向數據中心的服務器機架分配電力。或者,UPS可能包含一個逆變器,產生240V或120V交流輸出分配到機架。
取決于配電策略(交流或高壓直流),服務器可能包含一個AC/DC電源或DC/DC轉換器,用來提供本地48V直流隔離電源總線。為了產生一個半調節的12V總線,來為負載點(POL)DC/DC轉換器進行供電,這當中經常會用到一個額外的中間總線轉換器(圖1)。一個服務器就可能包含幾個POL轉換器,這些POL轉換器靠近處理器和相關器件,例如專用集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)。未來,一些POL轉換器可能直接通過48V直流母線供電——詳情見后。
圖1.數據中心分布式電源的電壓轉換器
圖字:交流線路;隔離,轉換,調節;半調節配電總線;總線轉換器;隔離,降壓;半調節中間總線;niPOL轉換器;降壓,調節;調節負載電壓
如果配電網的總效率為80-90%,則由電力公司提供的電力中有10%以上(由數據中心所有者支付)是由這些電源模塊以熱的形式耗散掉的。這種不期望的熱量必須予以消除,從而確保環境保持在某個規定工作范圍內的穩定溫度,進而確保滿足充分的系統可靠性。對于許多數據中心來說,這個溫度是20-22℃,其通常通過空調維護,有時通過額外的冷卻器來輔助。一些運營商可能采取另一種方法,即在建設新的數據中心時,將其選址在寒冷的北方氣候中,以便可以利用較低的室外環境空氣來以較低的成本進行冷卻。
考慮到電源轉換器的損耗和運行冷卻系統的電能的組合成本,如果整體電源效率可以提高哪怕僅幾個百分點,則電費就能獲得大幅降低。如果全球所有數據中心的效率都提高僅僅1%,那么電費節省就相當于近10億歐元。
過渡到數字電源
傳統的開關模式電源轉換器傾向于在恰好低于其最大負載處達到某個效率峰值。效率在最大負載附近稍微降低,但在較低的負載下會顯著降低。發生這些變化是由于電源的性能是由電容器等器件數值固定決定的。這些數值的選取是為了確保在廣泛的工作條件下都能保持反饋穩定,但這不能確保在整個負載范圍內效率不變。
現在,數字電源的出現為解決這個缺點提供了解決方案。與傳統的模擬電源不同,數字電源特性由固件決定。與使用具有固定值的電容器等器件相比,決定運行參數的寄存器的值可以更快更容易地進行更改。
數字電源的早期采納者利用其增強的靈活性來簡化測試和設置,并通過創建平臺電源(可以對各種應用或不同的終端用戶要求或工作條件進行配置,只需加載不同的配置文件即可)來利用規模經濟。數字電源功能還可以幫助設計人員應對現代配電的復雜性(例如多核處理器或FPGA所需的大量不同電壓軌),并可以對由網絡流量需求波動產生的線路和負載條件變化做出響應。
數字電源模塊通常由中央控制器進行調整,中央控制器通過電源管理總線(PMBus)連接與模塊進行通信,如圖2所示。PMBus是一種由系統管理總線(SMBus)規范開發出的行業標準,為電源模塊之間的數據交換定義了物理連接和協議。此外,數字電源可以使用較少的板載電容器來實現穩定,從而可以實現更小的電源模塊。這樣便能釋放額外的板級空間來承受更大的處理能力,進而為終端用戶提供更多、更快、更好的服務。
一個可實現改進的地方,是向數據中心服務器的供電。今天,甚至一個服務器卡就可能消耗超過1kW電能。大型的數據中心中可能包含數百個機架,在這樣的場景中,服務器是通過一個大容量AC/DC電源引出的電源模塊網絡進行供電,而這個大容量AC/DC電源又由電力公司提供的交流線路供電。其通常為作為不間斷電源(UPS)的一部分的一組備用電池供電。UPS可以提供通常為380V的高壓直流輸出,用于向數據中心的服務器機架分配電力。或者,UPS可能包含一個逆變器,產生240V或120V交流輸出分配到機架。
取決于配電策略(交流或高壓直流),服務器可能包含一個AC/DC電源或DC/DC轉換器,用來提供本地48V直流隔離電源總線。為了產生一個半調節的12V總線,來為負載點(POL)DC/DC轉換器進行供電,這當中經常會用到一個額外的中間總線轉換器(圖1)。一個服務器就可能包含幾個POL轉換器,這些POL轉換器靠近處理器和相關器件,例如專用集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)。未來,一些POL轉換器可能直接通過48V直流母線供電——詳情見后。
圖1.數據中心分布式電源的電壓轉換器
圖字:交流線路;隔離,轉換,調節;半調節配電總線;總線轉換器;隔離,降壓;半調節中間總線;niPOL轉換器;降壓,調節;調節負載電壓
如果配電網的總效率為80-90%,則由電力公司提供的電力中有10%以上(由數據中心所有者支付)是由這些電源模塊以熱的形式耗散掉的。這種不期望的熱量必須予以消除,從而確保環境保持在某個規定工作范圍內的穩定溫度,進而確保滿足充分的系統可靠性。對于許多數據中心來說,這個溫度是20-22℃,其通常通過空調維護,有時通過額外的冷卻器來輔助。一些運營商可能采取另一種方法,即在建設新的數據中心時,將其選址在寒冷的北方氣候中,以便可以利用較低的室外環境空氣來以較低的成本進行冷卻。
考慮到電源轉換器的損耗和運行冷卻系統的電能的組合成本,如果整體電源效率可以提高哪怕僅幾個百分點,則電費就能獲得大幅降低。如果全球所有數據中心的效率都提高僅僅1%,那么電費節省就相當于近10億歐元。
過渡到數字電源
傳統的開關模式電源轉換器傾向于在恰好低于其最大負載處達到某個效率峰值。效率在最大負載附近稍微降低,但在較低的負載下會顯著降低。發生這些變化是由于電源的性能是由電容器等器件數值固定決定的。這些數值的選取是為了確保在廣泛的工作條件下都能保持反饋穩定,但這不能確保在整個負載范圍內效率不變。
現在,數字電源的出現為解決這個缺點提供了解決方案。與傳統的模擬電源不同,數字電源特性由固件決定。與使用具有固定值的電容器等器件相比,決定運行參數的寄存器的值可以更快更容易地進行更改。
數字電源的早期采納者利用其增強的靈活性來簡化測試和設置,并通過創建平臺電源(可以對各種應用或不同的終端用戶要求或工作條件進行配置,只需加載不同的配置文件即可)來利用規模經濟。數字電源功能還可以幫助設計人員應對現代配電的復雜性(例如多核處理器或FPGA所需的大量不同電壓軌),并可以對由網絡流量需求波動產生的線路和負載條件變化做出響應。
數字電源模塊通常由中央控制器進行調整,中央控制器通過電源管理總線(PMBus)連接與模塊進行通信,如圖2所示。PMBus是一種由系統管理總線(SMBus)規范開發出的行業標準,為電源模塊之間的數據交換定義了物理連接和協議。此外,數字電源可以使用較少的板載電容器來實現穩定,從而可以實現更小的電源模塊。這樣便能釋放額外的板級空間來承受更大的處理能力,進而為終端用戶提供更多、更快、更好的服務。
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