快速增长的数字宇宙中的服务器电源

　　1 增长的服务器密度

　　到2020年末，数字宇宙(一年内创建、复制和消耗的所有数字数据的度量单位)将达到40泽字节(ZB，40×1024字节)，这相当于在2010年基础上增长了50倍^[1]。

　　为了支持这一空前的流量增长。服务器都采用了多核处理器，并增加了每个板的处理器数量。整体机架密度也已经提高，从1996年的每机架7台服务器达到2010年的每机架20台服务器。机架功率也以同种方式增加了，从2000年的千瓦/机架达到2007年的10kW/机架，今天许多新安装的设备超过了20kW/机架。

　　对于新设备和那些正在升级的服务器，这些趋势已经很难继续用使用单相AC-DC转换器的12V电压在机架级分配电能。

　　2 12V配电的挑战

　　基于12V配电的典型服务器机架使用一个电力输送单元(PDU)，包括EMI电源滤波器和一个有480V三相输入和277V单相输出的Y型配置变压器，它为机架的AC-DC转换器供电。要为一个10kW机架供电，俗称银盒的AC/DC转换器必须为其IT负载组合提供超过800A功率。原理图示例如图1所示。

　　这些银盒独立工作，无需同步，导致其输入电流波形出现了更丰富的谐波含量。转换器的功率因数校正(PFC)电路可正确输入相对于输入电压波形的电流波形，但随着银盒制造商在努力提高功率转换效率，AC线路上的谐波含量也在不断增加^[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold认证的银盒可提供92%的峰值效率，产生其输入电流波形约5%的总谐波失真(THD)(相对于基波频率)。符合80-Plus Titanium认证的AC/DC转换器可提供96%的峰值效率，产生约12%的总谐波失真。

　　此外，银盒是异步操作，因此所产生的谐波电流与上游AC线相互作用，且通常在PDU或不间断电源(UPS)中的三相变压器内组合，从而产生更宽的中、低频谐波(几Hz到几kHz)。

　　最近的研究^[5-6]表明，当一个线路变压器的电流波形的总谐波失真超过5%时，每增加2%的总谐波失真可产生额外1%的总功率损耗，通常发生在PDU(或UPS，或两者)中。对于一个为80-Plus Titanium AC-DC转换器供电的10kW系统，正是由于电流总谐波失真的缘故，至少相当于PDU耗散了350W。系统设计人员必须估计PDU的大小，以适应额外损耗，从而增加了机架的安装成本，并影响整个系统的可靠性。

　　最终，随着机架功率的持续增加，12V配电开始出现更基本的问题。由于个别主板增加了内核、内存和I/O，细分(subdivide)电源的能力变得很有限，而实际和经济规模的母线和电源输入连接器的电流最大值会对整体机架密度产生负面的影响。在20kW/机柜中，12V电源架必须提供净1.7kA，而机架供电要求并没有停滞不前。

　　3 48等于新的12

48V配电设计在一些重要方面不同于超过配电方案操作潜力的12V系统。最值得注意的是，48V配电系统可以用一个400V/480V三相整流器来替代PDU变压器和银盒(原理图示例如图2所示)。一个现代整流器可产生约3%的总谐波失真，且很少超过5%，即使是在轻负载条件下。整流器数目的减少(由于较高的单位功率)和线路电流所消耗的本来就较低的谐波含量，导致系统级电流波形谐波要低得多。

　　服务器运营商可以充分利用现有400V/480V三相AC至48V DC设备的规模经济，这些设备已在电信和其他48V应用中广泛使用。一个典型10kW单元仅需2U(89 mm)的机架高度，即可提供≥97%的转换效率和<5%的总谐波失真。相比之下，400V/480V三相到12V整流器是不实用的，因为它有非常高的电流输出。

　　导通损耗和导线尺寸的实际限制限制了电力可以经济地传输，例如基于12V机架的系统达到约5kW;使用相同输电基础架构的48V配电可以提供20kW——足以从一个三相整流器为整个服务器机架供电。

　　消除了机架中单相AC的DC配电战略还简化了电池备份的实现：电池组不需要通过一台UPS逆变器来升频转换(up convert)，进而驱动AC-DC转换器。相反，48V备用电池可以通过一个管理转换、电池充电、电池监测和状态报告的最小控制界面来驱动IT负载。

　　日益转向48V配电要求系统设计人员重新思考自己的板电源(board-power)策略。有几个可以考虑的选项，不过也有一些比12V设计使用的选项更简单和尺寸更小。一个例子是Vicor的符合48V英特尔VR12.5标准的参考设计，它可以消除一个中间转换级。Vicor的方法避免了多相位转换拓扑结构，从而减少了元件数量，并有助于在流行的36~60V电信电压范围实现直接连接电源(包括备份)。元件数量的减少和更小的储能要求允许设计人员让电源传送电路(power train)更靠近处理器，进而降低与PCB走线长度大致成正比的损耗和寄生电感。

　　对于处理器和内存之外的板上负载，单级降压预计将实现整个服务器板的48V配电。随着越来越高的功率密度需求，散热设计成为了一个日益受到关注的问题。封装技术，如Vicor的转换器级封装(Converter housed in Package，ChiP)平台兼容了双面冷却，可以简化热-机械设计。

　　4 小结

　　总体而言，48V配电设计比12V方案使用的材料更少，需要的铜更少。利用Vicor的符合48V英特尔VR12.5标准的解决方案，也避免了使用电解电容器。净效应是更高的可靠性、更好的可扩展性和更高的功率密度。

　　参考文献：
　　[1]IDC.Digital Universe Study. December, 2012
　　[2]Cisco Systems.Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2012-2017.May, 2013
　　[3]Meeker, Mary and Liang Wu.Internet Trends D11 Conference (presentation), KPCB.May 29,May 29, 2013.
　　[4]ABI Research.Surge in video will drive global data traffic to more than 60,000 Petabytes in 2016.May 10, 2011
　　[5]The Green Grid.Data Center power system harmonics: an overview of effects on data center efficiency and reliability. 2013
　　[6]The cost of Harmonic Losses and mitigations in distribution systems.18th International Conference on Electricity Distribution.June 6-9,2005