【FPGA電源技術(shù)專輯】智能化數(shù)字電源: 下一代數(shù)據(jù)中心的理想搭檔

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)提供的各種服務(wù)也變得越來(lái)越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)載體的數(shù)據(jù)中心，其建設(shè)需求也在不斷增加。特別是近幾年來(lái)，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商和IT企業(yè)都投入了大量的資金用于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。目前，全國(guó)已經(jīng)形成了至少數(shù)百家大小不一的數(shù)據(jù)中心。

高密度已成為服務(wù)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。摩爾定律已經(jīng)使人們有可能將多個(gè)高性能內(nèi)核集成到一個(gè)單一的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。高密度的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為應(yīng)用加速和集成提供了進(jìn)一步的可能性。將FPGA芯片部署在每個(gè)邏輯板系統(tǒng)內(nèi)，可以提供強(qiáng)大的計(jì)算潛能并顯著降低系統(tǒng)功耗。然而，為了實(shí)現(xiàn)更高的集成度，更新的工藝技術(shù)促使芯片的供電核電壓進(jìn)一步降低，并提高了對(duì)其精度控制和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求，對(duì)服務(wù)器中的配電線路和架構(gòu)產(chǎn)生一系列影響。

其中的一個(gè)趨勢(shì)是增加電源的開(kāi)關(guān)頻率，以降低峰值電流需求，這有助于將無(wú)源元件的尺寸如電容器減少到最小，并通過(guò)一系列電路設(shè)計(jì)技術(shù)減少對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響。

數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，它是由UPS系統(tǒng)、后備電池系統(tǒng)、監(jiān)控配電系統(tǒng)組成第一級(jí)供電;由AC/DC電源轉(zhuǎn)換、低壓DC/DC變換、板上監(jiān)控等組成第二級(jí)供電，其中第二級(jí)供電中的DC/DC是和系統(tǒng)的大板集成在一起的，直接給CPU/FPGA/SSD供電，所以要求其效率高、可靠、尺寸小以及具備智能調(diào)壓和監(jiān)控功能。

圖1：數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器

數(shù)據(jù)中心第二級(jí)供電的架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的第二級(jí)供電系統(tǒng)一般由AC/DC電源模塊得到12V并傳輸給系統(tǒng)的背板，控制功能板、硬盤板通過(guò)背板取電并互通信號(hào)，具體供電架構(gòu)如圖2。其中控制功能板上有CPU/FPGA以及DDR等一系列功能芯片，一般有幾百瓦的功耗。其中給core電壓供電時(shí)，由于電流比較大，一般從12V直接轉(zhuǎn)換，而其它電壓采用IBA(中間總線架構(gòu))從5V往下轉(zhuǎn)換。另外，在服務(wù)器上SSD應(yīng)用中，Enpirion 5V產(chǎn)品因?yàn)槠涑叽缧?，集成度高，被幾個(gè)SSD主控器廠家如SandForce、OCZ、Corsair、LSI等廣泛采用。此外，給板上DDR顆粒的VTT供電的EV1340QI/EV1380QI也廣受用戶青睞。

圖2：數(shù)據(jù)中心第二級(jí)供電架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心第二級(jí)供電的要求

數(shù)據(jù)中心的第二級(jí)供電要求包括以下幾點(diǎn)：

1.小尺寸——現(xiàn)在服務(wù)器的容量越來(lái)越大，單板上要搭載兩顆CPU、一到兩片

ASIC/FPGA/CPLD等芯片，還有大量的內(nèi)層條和接口端子，留給電源芯片的空間非常緊張。尤其是母板上的嵌入式子卡板(比如FPGA PCIE接口加速卡或者PCIE接口SDD)，其單板的高度往往要求限制在5mm，普通的外置電感的電源的電感高度一般都在5～10mm，很難滿足。Altera Enpirion PowerSoC的高度最小僅1mm，12A的產(chǎn)品也只有3mm高度，從而讓布局非常靈活方便。據(jù)Altera Enpirion電源中國(guó)區(qū)資深技術(shù)支持專家凌俊杰介紹，正是得益于這些優(yōu)勢(shì)，目前Enpirion模塊在服務(wù)器行業(yè)主流廠家例如浪潮、曙光中均有突破。

圖3：服務(wù)器母板/FPGA PCIE加速卡/SSD板

2.智能調(diào)壓功能——給CPU/ASIC/FPGA核電壓供電需要低壓大電流，甚至達(dá)到150A以上，

需要供電系統(tǒng)能夠跟隨芯片工作實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)壓以降低功耗。Altera Enpirion EM21X0系列產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，其可以在18*20*5mm的體積上實(shí)現(xiàn)30A輸出電流，并集成了電感，并可以通過(guò)多相并聯(lián)向更大的功率擴(kuò)展。EM21X0通過(guò)Altera專利的SmartVID總線和負(fù)載芯片或者上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電壓調(diào)節(jié)，電源運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)等功能。

圖4：EM11X0框圖

3. 能源管理功能——數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一直在提高數(shù)據(jù)吞吐量和其他系統(tǒng)性能，同時(shí)也面臨降

低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，通過(guò)重新安排工作流程，將程序轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務(wù)器上，使得其他服務(wù)器能夠停機(jī)，以此來(lái)降低總體功耗。如果采用數(shù)字電源管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以為用戶提供實(shí)時(shí)以及日常的功耗數(shù)據(jù)，方便作出明智的能源管理決策。由于服務(wù)器背板上電壓通過(guò)中間總線電壓轉(zhuǎn)換，并通過(guò)負(fù)載點(diǎn)POL DC/DC轉(zhuǎn)換至子電路所需的電壓和工作電流，這些不同的電壓軌對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、精度調(diào)節(jié)以及監(jiān)控都有更為嚴(yán)格的要求，使得問(wèn)題更加復(fù)雜。因此，客戶需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)，針對(duì)每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)化系統(tǒng)性能和存儲(chǔ)特定配置值，通過(guò)PMBus報(bào)警線路將故障通知主機(jī)，從而關(guān)斷問(wèn)題電路，以保護(hù)主芯片等供電器件，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間保護(hù)，從總體上來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

總結(jié)：

Altera于2015年8月份被Intel收購(gòu)， 成為Intel的PSG事業(yè)部。據(jù)Altera Enpirion中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理張偉超介紹，Intel已經(jīng)明確表示后續(xù)將繼續(xù)加大對(duì)Enpirion的投資，Enpirion電源在進(jìn)一步支持好FPGA的性能提升的同時(shí)，還將繼續(xù)延伸Intel CPU的應(yīng)用，更好地服務(wù)于Intel數(shù)據(jù)中心和廣泛的IOT產(chǎn)品。Enpirion的產(chǎn)品路標(biāo)將進(jìn)一步滿足數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品和工業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)的需求。有理由相信，在不久的將來(lái)，大家會(huì)在中國(guó)市場(chǎng)上發(fā)現(xiàn)更多Enpirion的應(yīng)用。