数据中心对电源的要求探析

    3月9日，google在会上宣布加入由 Facebook 发起的OCP计划，并将自己在数据中心设计的研究结果捐献出来，所捐出的48V电源的机架设计包含48V伺服器至负载点设计、机架层48V锂离子不断电系统等，Google已采用此架构平稳运行数年之久。该新闻引发广泛转载。
    数据中心的耗电量占耗电量的1.5%左右，而且还在攀升。对数据中心的供电优化，降低PUE将有助于减少炭排放，减缓温度升高。
    从下图我们可以看到google数据中心PUE的提升历程，目前已经可以做到1.1以内，而同期国内的PUE平均在2.2左右，有巨大差异。
   

    从2010年开始google就开始研发48V机架式电源分配系统并在其后几年大规模投入使用。这也为PUE的持续降低做出了贡献。
    48V电源分配系统在CT设备中已经广泛使用了几十年，而在IT设备中一直采用的是12V。根据公式P=UI和Q=I^2R，我们知道更高的电压意味着更低的电流，更低的线路损耗。如果传输相同的功率，那么线路上的损耗相差为16倍。对于上千安培的母线电流来说，细微的阻抗也会导致很大的功率损耗。随着数据中心数据吞吐量运算量的不断提升，机架的功率持续上升。近VR(虚拟现实技术)红遍，虚拟现实技术会带来海量的图形计算，将会有更多的大功率GPU使用在机房中，带来海量的数据传输，导致ICT设备的单机功耗增加，势必会进一步推高数据中心对电能的需求。根据google公布的数据，采用了 48 V电源分配器的新机架设计，相比传统的12V方案，电力的损耗降低了 30%。
   

    怀格(Vicor)上海有限公司商务拓展经理陈历忠

    国内的BAT三大巨头也在积极推动技术的发展，从天蝎1.0到发布的天蝎2.5无不体现出对效率性能的提升优化。我们在天蝎2.5版本中看到了48V的身影。在这个版本中，12V仍然作为工作母线，48V在机架中作为市电直供的电池备份系统。近期和业内资深交流得知，天蝎2.5只是作为一个过渡的版本，将于明年颁布的天蝎3.0版本将把48V作为母线电压，直接为机架供电。为未来的发展预留了良好的发展空间。
    在此，我们可以坚定地说，数据中心的电源系统将由12V转到48V。
    在采用48V机架配电系统后，48V电源将直接供给服务器和通讯设备主板。从48V到负载点有以下两种方式：
   

    如果通过采用48V-12V-POL的供电方式，虽然这样可以沿用成熟的12V板载电源方案，但是经过两级转换，牺牲了效率，那么采用48V提升系统效率的初衷将不能实现，对长时间运营的数据中心来说，效率的提升能有效减少运营费用。采用48V直接到负载点的方式将是提升效率的关键所在。
    Vicor的48V直接到低压大电流负载点的方案已经在google的数据中心大量使用，为其30%的效率提升作出了杰出贡献。
    Vicor的48V架构称为FPA，包括两个部分构成。前端为采用深降压拓扑结构的预稳压模块(PRM)，后端为采用正弦幅值变换器(SAC)的电压变压模块(VTM)。
   

    PRM输出一个母线电压，40V左右，VTM为理想直流变压器，以固定变压因子输出一个低压大电流的功率(61mmX23mm的面积里面可以输出高达180A的电流)。比如，输入端为48V，要求1.8V 100A输出，那么可以采用24:1的VTM，此时PRM的输出电压将为1.8*24=43.2V。 采用不同变压因子的VTM，调整PRM的输出，可以非常高效地实现48V到POL的供电。上图中的 53.5V转1.8V 的VR13.0方案可以实现94%的峰值效率。
    在服务器或者交换路由器中， CPU，memory,ACIS, FPGA这类低电压大电流芯片为耗电大户。高效地解决这些负载点是实现系统整体性能的关键。
    下面的电源路径为采用Vicor 的VR13.0V主板整体电源方案。深蓝色的部分为Vicor的48V高效转换器。
   

    数据中心的电源架构变化必将影响电源公司的产品策略，48V直接到负载点的应用生态将日益完善，而Vicor凭借其的天独厚的效率和密度优势，占得了先机。