標準化與節(jié)能驅(qū)動數(shù)據(jù)中心的48V電源

隨著資本投資從數(shù)億美元到數(shù)十億美元不等，最先進數(shù)據(jù)中心的所有者正在盡一切可能降低成本也就不足為奇了。由于運行數(shù)據(jù)中心的能源占全球能耗的 3% 或更多，因此1最大限度地提高效率是當務之急。綜合起來，這兩個因素推動了兩個趨勢：數(shù)據(jù)中心設備設計標準的轉(zhuǎn)變和對高效率的匹配推動。在為計算設備供電時，這些趨勢匯聚在一起，推動了 48V 電源的發(fā)展。

標準化的路由是由開放計算項目的（OCP的）打開機架倡議，它在2019年推出ORv3例舉2響應于需求在兩個增加的功率密度的組件和系統(tǒng)級，最新的21英寸寬開機架設計支持 48V 供電方案，與流行的 12V 架構(gòu)相比具有顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括提高電源轉(zhuǎn)換效率，從而減少約 1.1% 的電費（根據(jù)美國能源信息署的估計）、改進的熱性能以及降低約 1.5% 的硬件成本。本文稍后將詳細討論 48V 架構(gòu)的效率優(yōu)勢。

硬件成本降低的部分原因是當前行業(yè)從經(jīng)典電源模塊向電源架架構(gòu)轉(zhuǎn)變。電源架的機架安裝配置節(jié)省空間，占用 44U 機架的 1U 用于電源，1U 用于電池備份單元，因此每個機架最多可容納 42 個計算刀片。重要的是，鋰離子電池備份單元與機架上的其他組件的集成在粒度和消除長距離電纜連接方面具有重大優(yōu)勢，可將鉛酸電池組分開放置。同樣的優(yōu)勢也適用于使用 19 英寸開放式機架的組織，這些機架的計算密度（以及由此而來的功率要求）與使用 OCP 設計的組織的計算密度相同。

節(jié)約能源的動力

在美國，到 2022 年及以后，數(shù)據(jù)中心功耗預計將繼續(xù)以每年 4% 至 5% 的速度增長。這遠低于數(shù)據(jù)中心計算能力的增長速度，并且證明了行業(yè)在提高電源效率的同時減少功耗的努力的有效性。雖然自 2010 年以來效率的提高對用電量產(chǎn)生了巨大影響（圖 1），但很明顯需要持續(xù)創(chuàng)新。

圖 1：數(shù)據(jù)中心能耗

未來幾年，計算架構(gòu)的幾個趨勢正在推動數(shù)據(jù)中心對電力需求的增加。人工智能和云應用正在推動先進硬件的采用，包括需要更高功率水平的微處理器、GPU、FPGA 和 ASIC。例如：

高級處理器，包括英特爾的“Sky Lake”和 AMD 的“Rome”，預計消耗 230 至 300 W，英特爾的“Ice Lake”預計消耗約 450 W。

Nvidia 當前和即將推出的 GPU 預計將消耗約 600 W。

這相當于顯著增加了每個機架所需的功率（圖 2）。

圖 2：每機架功率趨勢

每個機架的電源要求增加到 20–40 kW，這是轉(zhuǎn)向 48 V 電源架構(gòu)的主要原因。隨著輸出功率的增加，配電損耗以及輸出母線的尺寸都會增加。考慮到這一點，必須考慮 12V 架構(gòu)與 48V 架構(gòu)相比的效率。

圖 3：12-V Titanium 和 48-V 設計效率比較

轉(zhuǎn)換效率只是確定數(shù)據(jù)中心用電量的等式中的一個要素。支持 48 V 而不是 12 V 的其他因素是相同功率水平的電流消耗減少了 4 倍，配電損耗降低了 16 倍。這等同于更好的熱性能，因此降低了冷卻要求，以及減小電源母線尺寸的能力，所有這些都影響到運行數(shù)據(jù)中心的總功耗。

這些數(shù)字在實際成本方面意味著什么？考慮一個總功耗為 10 MW 的數(shù)據(jù)中心，其服務器消耗該能量的 50%，電源使用效率 (PUE) 為 1.6。服務器電源效率提高 2% 導致用電量減少 1.6%。這意味著每年可節(jié)省 140 萬千瓦時，相當于減少超過 2100 萬磅的CO 2排放（圖 4）。每千瓦時 0.07 美元，可節(jié)省 98,000 美元。在擁有數(shù)百或數(shù)千臺服務器的數(shù)據(jù)中心中，這種節(jié)省會快速增加。

互操作性是標準化的關(guān)鍵

今天，大約 15% 的數(shù)據(jù)中心采用了 48V 電源架構(gòu)，其余的繼續(xù)使用 12V 電源架構(gòu)。然而，轉(zhuǎn)變正在加速，Advanced Energy 估計，到本十年中期，多達 50% 的數(shù)據(jù)中心將實施 48 V。

如前所述，數(shù)據(jù)中心的主要經(jīng)濟驅(qū)動力是實現(xiàn)設備成本效率的標準化。在考慮電源設計時，這需要供應商承諾通過采用非專有控制方法來支持互操作性，并確保電壓和電流環(huán)路帶寬可以在異構(gòu)環(huán)境中適當匹配。作為 OCP ORv3 的主要貢獻者，Advanced Energy 積極參與這些標準化工作，與主要 OCP 用戶和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心領域的領導者合作，為跨部署的客戶創(chuàng)建一個通用的電源平臺，最終提高采用率和規(guī)模經(jīng)濟48V 架構(gòu)。

如今，Advanced Energy 提供了一系列 48V 電源解決方案，包括具有 97.5% 效率和 18、24、30 和 34 kW 輸出水平的 ORv3 電源架系列，以及 1U 中的鋰離子電池 BBU , 21 英寸機架配置。還提供具有 97% 電源效率和 36 kW 總功率輸出的 EIA 機架式電源架。

數(shù)據(jù)中心的未來

展望數(shù)據(jù)中心的未來，隨著服務器功率需求超過 30 kW，強制風冷將不再足以維持安全的工作溫度。接下來的步驟是各種液體冷卻方法3 ，它們利用了液體相對于空氣的優(yōu)越熱傳遞特性。今天最典型的是，這意味著直接板技術(shù)，但即將到來的是浸入式冷卻，其中服務器組件浸沒在非導電流體中。Advanced Energy 已經(jīng)在研究易于適應液體冷卻的電源，使其能夠用于浸入式冷卻平臺。

在配電方面，整體需求的持續(xù)增加最終會導致直流模式?？赡艿霓D(zhuǎn)換是在 400 V 時，因為該級別的直流電消除了對功率因數(shù)校正級的要求，從而實現(xiàn)了高達 99% 的效率。

毫無疑問，隨著數(shù)據(jù)中心個體規(guī)模和安裝數(shù)量的持續(xù)增長，將需要這種更高的效率。數(shù)據(jù)中心和云服務構(gòu)成了數(shù)字生活方式的支柱，全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長。而隨著物聯(lián)網(wǎng)采用的設備預計在2025年貢獻數(shù)據(jù)的爆炸，從2019年18.3 ZB 73.1 ZB 4 -一個幾乎增加了四倍-數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)在數(shù)字經(jīng)濟中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Advanced Energy 是這一增長的關(guān)鍵貢獻者，通過高效、高性能的電源解決方案應對數(shù)據(jù)中心最艱巨的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷