快速增長(zhǎng)的數(shù)字宇宙中的服務(wù)器電源

　　48等于新的12

　　到2020年末，數(shù)字宇宙——一年內(nèi)創(chuàng)建、復(fù)制和消耗的所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的度量單位——將達(dá)到40澤字節(jié)(ZB，40×1024字節(jié))，這相當(dāng)于在2010年基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了50倍[1]。據(jù)思科系統(tǒng)公司(CiscoSystems)預(yù)測(cè)，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過(guò)1澤字節(jié)大關(guān)[2]。這些趨勢(shì)代表了推動(dòng)中型和大型服務(wù)器應(yīng)用規(guī)模的數(shù)據(jù)環(huán)境變化的兩個(gè)指標(biāo)。

　　越來(lái)越多的訪問(wèn)，更加密集的內(nèi)容，不斷擴(kuò)大的資源

　　消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數(shù)據(jù)傳輸空前的增長(zhǎng)。思科預(yù)測(cè)，2012年至2017年間消費(fèi)者IP流量的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為23%，主要由北美和亞太地區(qū)的用戶貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖1)。但是，全球所有地區(qū)新用戶的增長(zhǎng)速度均低于5%(見(jiàn)表1)。

　　北美–23%CAGR

　　亞太-26%CAGR

　　西歐-17%CAGR

　　中東歐-24%CAGR

　　南美–17%CAGR

　　中東及非洲–42%CAGR

　　年

　　圖1：預(yù)計(jì)全球年度消費(fèi)者IP流量年均復(fù)合增長(zhǎng)率將增長(zhǎng)23%，遠(yuǎn)高于將支持的新用戶增長(zhǎng)速度。

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：思科系統(tǒng)公司。

　　有三個(gè)關(guān)鍵因素導(dǎo)致了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長(zhǎng)速度的快速流量增長(zhǎng)。典型手機(jī)用戶平均每天約144次查看他們的設(shè)備，產(chǎn)生了IP流量時(shí)間的46%[3]。由于公共熱點(diǎn)提供的基本接入無(wú)處不在，便攜式設(shè)備為用戶提供了在辦公和家庭范圍之外全天候獲取信息、通信和娛樂(lè)服務(wù)的方便。自2009年以來(lái)，一個(gè)正在加速的趨勢(shì)是，便攜式設(shè)備占整體流量的比例越來(lái)越大，以其目前的軌跡，到2015年中期將達(dá)到30%(見(jiàn)表2)。

　　日期移動(dòng)流量占全球流量百分比

　　內(nèi)容也已經(jīng)從主要基于文本轉(zhuǎn)向主要基于媒體。一張圖片的大小值可能是1000個(gè)字，而一個(gè)圖像可能很容易地占用五十萬(wàn)字個(gè)字以上的數(shù)據(jù)空間。視頻是不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)組合的一部分。僅YouTube上傳的視頻就已經(jīng)從2009年的每分鐘20小時(shí)增加到2013年的每分鐘100小時(shí)。

　　內(nèi)容提供商已經(jīng)通過(guò)各種任何東西點(diǎn)播(anything-on-demand，XOD)門戶網(wǎng)站在線提供了完整的電視劇和全長(zhǎng)影片。大部分生產(chǎn)設(shè)施都已轉(zhuǎn)換到高清(HD)視頻格式，這需要標(biāo)清(SD)視頻四到五倍的帶寬。到2015年，視頻剪輯和流媒體電視節(jié)目的流量預(yù)計(jì)將超過(guò)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

　　現(xiàn)在，連網(wǎng)的設(shè)備比地球上的人還要多，設(shè)備的增長(zhǎng)速度超過(guò)了人口的增長(zhǎng)。思科預(yù)計(jì)，到2017年機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)應(yīng)用中將有60億部設(shè)備貢獻(xiàn)IP流量。

　　增長(zhǎng)的服務(wù)器密度

　　為了支持這一史無(wú)前例的流量增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)全球平均固定寬帶速度將從2012年的11Mbps提高到2017年的39Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目可能會(huì)實(shí)現(xiàn)光纖到戶(FTTP)，提供高達(dá)1Gbps的服務(wù)。

　　作為響應(yīng)措施，服務(wù)器都采用了多核處理器，并增加了每個(gè)板的處理器數(shù)量。整體機(jī)架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機(jī)架7臺(tái)服務(wù)器達(dá)到2010年的每機(jī)架20臺(tái)服務(wù)器。機(jī)架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機(jī)架達(dá)到2007年的10kW/機(jī)架，今天許多新安裝的設(shè)備超過(guò)了20kW/機(jī)架。

　　對(duì)于新設(shè)備和那些正在升級(jí)的服務(wù)器，這些趨勢(shì)已經(jīng)很難繼續(xù)用使用單相AC-DC轉(zhuǎn)換器的12V電壓在機(jī)架級(jí)分配電能。

　　12V配電的挑戰(zhàn)

　　基于12V配電的典型服務(wù)器機(jī)架使用一個(gè)電力輸送單元(PDU)，包括EMI電源濾波器和一個(gè)有480V三相輸入和277V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機(jī)架的AC-DC轉(zhuǎn)換器供電。要為一個(gè)10kW機(jī)架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉(zhuǎn)換器必須為其IT負(fù)載組合提供超過(guò)800A功率。原理圖示例如圖2所示。

　　圖2：有單相AC配電和12V服務(wù)器主板的高密度計(jì)算機(jī)架示意圖。

　　這些銀盒獨(dú)立工作，無(wú)需同步，導(dǎo)致其輸入電流波形出現(xiàn)了更豐富的諧波含量。轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正(PFC)電路可正確輸入相對(duì)于輸入電壓波形的電流波形，但隨著銀盒制造商在努力提高功率轉(zhuǎn)換效率，AC線路上的諧波含量也在不斷增加[5]。

　　例如，那些符合80-PlusGold認(rèn)證的銀盒可提供92%的峰值效率，產(chǎn)生其輸入電流波形約5%的總諧波失真(THD)(相對(duì)于基波頻率)。符合80-PlusTitanium認(rèn)證的AC/DC轉(zhuǎn)換器可提供96%的峰值效率，產(chǎn)生約12%的總諧波失真。

　　此外，銀盒是異步操作，因此所產(chǎn)生的諧波電流與上游AC線相互作用，且通常在PDU或不間斷電源(UPS)中的三相變壓器內(nèi)組合，從而產(chǎn)生更寬的中、低頻諧波(幾Hz到幾kHz)。

　　最近的研究[5，6]表明，當(dāng)一個(gè)線路變壓器的電流波形的總諧波失真超過(guò)5%時(shí)，每增加2%的總諧波失真可產(chǎn)生額外1%的總功率損耗，通常發(fā)生在PDU(或UPS，或兩者)中。對(duì)于一個(gè)為80-PlusTitaniumAC-DC轉(zhuǎn)換器供電的10kW系統(tǒng)，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當(dāng)于PDU耗散了350W。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須估計(jì)PDU的大小，以適應(yīng)額外損耗，從而增加了機(jī)架的安裝成本，并影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

　　最終，隨著機(jī)架功率的持續(xù)增加，12V配電開(kāi)始出現(xiàn)更基本的問(wèn)題。由于個(gè)別主板增加了內(nèi)核、內(nèi)存和I/O，細(xì)分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實(shí)際和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會(huì)對(duì)整體機(jī)架密度產(chǎn)生負(fù)面的影響。在20kW/機(jī)柜中，12V電源架必須提供凈1.7kA，而機(jī)架供電要求并沒(méi)有停滯不前。

　　48等于新的12

　　48V配電設(shè)計(jì)在一些重要方面不同于超過(guò)配電方案操作潛力的12V系統(tǒng)。最值得注意的是，48V配電系統(tǒng)可以用一個(gè)400V/480V三相整流器來(lái)替代PDU變壓器和銀盒(原理圖示例如圖3所示)。一個(gè)現(xiàn)代整流器可產(chǎn)生約3%的總諧波失真，且很少超過(guò)5%，即使是在輕負(fù)載條件下。整流器數(shù)目的減少(由于較高的單位功率)和線路電流所消耗的本來(lái)就較低的諧波含量，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)電流波形諧波要低得多。

　　整流器

　　48V電池

　　54V服務(wù)器，700W

　　整流器

　　圖3：有54VDC配電和集成短期備份的高密度計(jì)算機(jī)架示意圖。

　　服務(wù)器運(yùn)營(yíng)商可以充分利用現(xiàn)有400V/480V三相AC至48VDC設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這些設(shè)備已在電信和其他48V應(yīng)用中廣泛使用。一個(gè)典型10kW單元僅需2U(89mm)的機(jī)架高度，即可提供≥97%的轉(zhuǎn)換效率和<5%的總諧波失真。相比之下，400V/480V三相到12V整流器是不實(shí)用的，因?yàn)樗蟹浅８叩碾娏鬏敵觥?/p>

　　導(dǎo)通損耗和導(dǎo)線尺寸的實(shí)際限制限制了電力可以經(jīng)濟(jì)地傳輸(基于12V機(jī)架的系統(tǒng))達(dá)到約5kW的距離。使用相同輸電基礎(chǔ)架構(gòu)的48V配電可以提供20kW——足以從一個(gè)三相整流器為整個(gè)服務(wù)器機(jī)架供電。

　　消除了機(jī)架中單相AC的DC配電戰(zhàn)略還簡(jiǎn)化了電池備份的實(shí)現(xiàn)：電池組不需要通過(guò)一臺(tái)UPS逆變器來(lái)升頻轉(zhuǎn)換(upconvert)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)AC-DC轉(zhuǎn)換器。相反，48V備用電池可以通過(guò)一個(gè)管理轉(zhuǎn)換、電池充電、電池監(jiān)測(cè)和狀態(tài)報(bào)告的最小控制界面來(lái)驅(qū)動(dòng)IT負(fù)載。

　　日益轉(zhuǎn)向48V配電要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員重新思考自己的板電源(board-power)策略。有幾個(gè)可以考慮的選項(xiàng)，不過(guò)也有一些比12V設(shè)計(jì)使用的選項(xiàng)更簡(jiǎn)單和尺寸更小。一個(gè)例子是Vicor的符合48V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計(jì)，它可以消除一個(gè)中間轉(zhuǎn)換級(jí)。Vicor的方法避免了多相位轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少了元件數(shù)量，并有助于在流行的36-60V電信電壓范圍實(shí)現(xiàn)直接連接電源(包括備份)。元件數(shù)量的減少和更小的儲(chǔ)能要求允許設(shè)計(jì)人員讓電源傳送電路(powertrain)更靠近處理器，進(jìn)而降低與PCB走線長(zhǎng)度大致成正比的損耗和寄生電感。

　　對(duì)于處理器和內(nèi)存之外的板上負(fù)載，單級(jí)降壓預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)整個(gè)服務(wù)器板的48V配電。隨著越來(lái)越高的功率密度需求，散熱設(shè)計(jì)成為了一個(gè)日益受到關(guān)注的問(wèn)題。封裝技術(shù)，如Vicor的轉(zhuǎn)換器級(jí)封裝(ConverterhousedinPackage，ChiP)平臺(tái)兼容了雙面冷卻，可以簡(jiǎn)化熱-機(jī)械設(shè)計(jì)。

　　總體而言，48V配電設(shè)計(jì)比12V方案使用材料的更少。其機(jī)架級(jí)材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應(yīng)是更高的可靠性、更好的可擴(kuò)展性和更高的功率密度。

　　今天，服務(wù)器群的電力需求從早年的1kW/機(jī)架增加到了20kW。數(shù)據(jù)流量趨勢(shì)正在加速，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)需求將達(dá)到30kW/機(jī)架。

　　在一段距離上的電流幅值和功率傳遞的實(shí)際限制迫使人們安裝高密度服務(wù)器，從12V配電轉(zhuǎn)向48V設(shè)計(jì)。這種轉(zhuǎn)變帶來(lái)的是12V系統(tǒng)無(wú)法提供的好處。

　　當(dāng)板上轉(zhuǎn)換器直接以48V運(yùn)行時(shí)，48V電源特別具有吸引力。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少元件數(shù)量、能量?jī)?chǔ)存和損耗，同時(shí)提高可靠性。諸如ChiP的新的封裝技術(shù)允許雙面冷卻并簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。

　　48VDC配電提供了一個(gè)可以隨預(yù)見(jiàn)的服務(wù)器部署規(guī)模提升的高功率密度。

　　Vicor

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.DigitalUniverseStudy,IDC,SponsoredbyEMC,December2012.

　　2.CiscoVisualNetworkingIndex：ForecastandMethodology,2012-2017,CiscoSystems,May2013.

　　3.Meeker,MaryandLiangWu,InternetTrendsD11Conference(presentation),KPCB,May29,2013.

　　4.Surgeinvideowilldriveglobaldatatraffictomorethan60,000Petabytesin2016,

　　ABIresearch,May10,2011.

　　5.DataCenterpowersystemharmonics：anoverviewofeffectsondatacenterefficiencyandreliability,TheGreenGrid,2013.

　　6.ThecostofHarmonicLossesandmitigationsindistributionsystems,

　　18thInternationalConferenceon

　　ElectricityDistribution,6-9June2005.