如何应对数据中心的电力渴望？

数据中心的供电成本，一直是运营商们日益增长的一大关注点。虽然从资产负债表来看，执行有效工作所消耗的电力的费用支出确实能够创收，但电气效率低下却造成了大量的电力损失——这从服务器和电源模块辐射的热量中就可以感觉到，或从空调或其他冷却系统的嗡嗡声中也能够听到。更重要的是，这为财务带来的负担必须要尽可能地减小。

一个可实现改进的地方，是向数据中心服务器的供电。今天，甚至一个服务器卡就可能消耗超过1kW电能。大型的数据中心中可能包含数百个机架，在这样的场景中，服务器是通过一个大容量AC/DC电源引出的电源模块网络进行供电，而这个大容量AC/DC电源又由电力公司提供的交流线路供电。其通常为作为不间断电源（UPS）的一部分的一组备用电池供电。UPS可以提供通常为380V的高压直流输出，用于向数据中心的服务器机架分配电力。或者，UPS可能包含一个逆变器，产生240V或120V交流输出分配到机架。

取决于配电策略（交流或高压直流），服务器可能包含一个AC/DC电源或DC/DC转换器，用来提供本地48V直流隔离电源总线。为了产生一个半调节的12V总线，来为负载点（POL）DC/DC转换器进行供电，这当中经常会用到一个额外的中间总线转换器（图1）。一个服务器就可能包含几个POL转换器，这些POL转换器靠近处理器和相关器件，例如专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）。未来，一些POL转换器可能直接通过48V直流母线供电——详情见后。

图1.数据中心分布式电源的电压转换器
图字：交流线路；隔离，转换，调节；半调节配电总线；总线转换器；隔离，降压；半调节中间总线；niPOL转换器；降压，调节；调节负载电压

如果配电网的总效率为80-90%，则由电力公司提供的电力中有10%以上（由数据中心所有者支付）是由这些电源模块以热的形式耗散掉的。这种不期望的热量必须予以消除，从而确保环境保持在某个规定工作范围内的稳定温度，进而确保满足充分的系统可靠性。对于许多数据中心来说，这个温度是20-22℃，其通常通过空调维护，有时通过额外的冷却器来辅助。一些运营商可能采取另一种方法，即在建设新的数据中心时，将其选址在寒冷的北方气候中，以便可以利用较低的室外环境空气来以较低的成本进行冷却。

考虑到电源转换器的损耗和运行冷却系统的电能的组合成本，如果整体电源效率可以提高哪怕仅几个百分点，则电费就能获得大幅降低。如果全球所有数据中心的效率都提高仅仅1%，那么电费节省就相当于近10亿欧元。

过渡到数字电源
传统的开关模式电源转换器倾向于在恰好低于其最大负载处达到某个效率峰值。效率在最大负载附近稍微降低，但在较低的负载下会显著降低。发生这些变化是由于电源的性能是由电容器等器件数值固定决定的。这些数值的选取是为了确保在广泛的工作条件下都能保持反馈稳定，但这不能确保在整个负载范围内效率不变。

现在，数字电源的出现为解决这个缺点提供了解决方案。与传统的模拟电源不同，数字电源特性由固件决定。与使用具有固定值的电容器等器件相比，决定运行参数的寄存器的值可以更快更容易地进行更改。

数字电源的早期采纳者利用其增强的灵活性来简化测试和设置，并通过创建平台电源（可以对各种应用或不同的终端用户要求或工作条件进行配置，只需加载不同的配置文件即可）来利用规模经济。数字电源功能还可以帮助设计人员应对现代配电的复杂性（例如多核处理器或FPGA所需的大量不同电压轨），并可以对由网络流量需求波动产生的线路和负载条件变化做出响应。

数字电源模块通常由中央控制器进行调整，中央控制器通过电源管理总线（PMBus）连接与模块进行通信，如图2所示。PMBus是一种由系统管理总线（SMBus）规范开发出的行业标准，为电源模块之间的数据交换定义了物理连接和协议。此外，数字电源可以使用较少的板载电容器来实现稳定，从而可以实现更小的电源模块。这样便能释放额外的板级空间来承受更大的处理能力，进而为终端用户提供更多、更快、更好的服务。

图2.通过PMBus总线传送的指令控制的数字电源模块
图字：7.5V至14V……；3E：增强性能，电能管理，终端用户价值；高达360A

下一步：软件定义电源
软件定义电源为数字电源带来了实时适应性。在软件定义的电源架构（SDPA）中，中央控制器上托管的软件应用程序进行接管，因应负载变化对电源进行实时调节。它还可以补偿较慢变化带来的影响，例如器件老化。SDPA所实现的功能包括动态总线电压（DBV）调整——能够随着负载条件的变化，对总线电压进行优化；以及自适应电压调节（AVS）——可以对各个处理器的工作负载变化做出响应，从而尽可能降低功耗。

软件定义电源是一种新兴技术。它有望快速发展，从而全面推动电源效率的进一步提高，并实现性能改进，如更严格的电压调节和更快的瞬态响应。

未来趋势：节省电源和电路板空间
除了电源模块控制方式的变化外，利用转换器拓扑和功率半导体最新进展的新型直接转换策略，也引起了电源系统设计人员的关注。将模块设计成放置在负载点处，并直接从较高的直流总线电压（如48V）转换到诸如1.0V的电压，来为最新的处理器内核供电，可以帮助设计人员减少任何给定系统中的中间转换器数量，并进一步优化电能效率并降低功耗。直接转换通常还可以通过允许更小的模块和更少的电源转换器，来减少电源解决方案占用的总电路板表面积。此外，以4倍高的电压进行配电，还可显著降低电缆和PCB走线等导体中的i2R损耗。

确保市场接受
数据中心行业正在开始采用数字电源和软件定义电源等等创新。现代电源架构（AMP）联盟制定了综合的行业标准，实现了其三家制造商成员的电源模块之间的互操作性[1]。该联盟的工作为设备买家提供了第二来源选择的保证。过去，新电源技术的倡导者通常通过提供一种新的专利解决方案来吸引客户。事实证明这种方法并不成功，因为数据中心所有者在历史上对可靠、一致的模块供应和激烈的价格竞争高度重视。

爱立信通过在其数字电源阵容中提供符合AMP框架的重要新模块，正在帮助系统设计人员充分利用电源的最新进展，并对设备整个生命周期内的稳定供应和定价充满信心。

总结
功耗已经成为数据中心所有者和运营商的主要关注点，它们热衷于评估哪些OEM可以提供最有效的解决方案。了解电力是如何分配到孜孜不倦的计算机服务器，有助于了解其中的设计改进如何能够提高整体效率，同时支持更高的计算机性能。数字电源衍生出软件定义电源，以及诸如48V至POL直接转换的其他进展，将继续为提高系统能效提供更多的新机会，并有助于控制整体数据中心的运营成本。