如何應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的電力渴望？

數(shù)據(jù)中心的供電成本，一直是運(yùn)營(yíng)商們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的一大關(guān)注點(diǎn)。雖然從資產(chǎn)負(fù)債表來看，執(zhí)行有效工作所消耗的電力的費(fèi)用支出確實(shí)能夠創(chuàng)收，但電氣效率低下卻造成了大量的電力損失——這從服務(wù)器和電源模塊輻射的熱量中就可以感覺到，或從空調(diào)或其他冷卻系統(tǒng)的嗡嗡聲中也能夠聽到。更重要的是，這為財(cái)務(wù)帶來的負(fù)擔(dān)必須要盡可能地減小。
　　一個(gè)可實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的地方，是向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的供電。今天，甚至一個(gè)服務(wù)器卡就可能消耗超過1kW電能。大型的數(shù)據(jù)中心中可能包含數(shù)百個(gè)機(jī)架，在這樣的場(chǎng)景中，服務(wù)器是通過一個(gè)大容量AC/DC電源引出的電源模塊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，而這個(gè)大容量AC/DC電源又由電力公司提供的交流線路供電。其通常為作為不間斷電源（UPS）的一部分的一組備用電池供電。UPS可以提供通常為380V的高壓直流輸出，用于向數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)架分配電力?；蛘撸琔PS可能包含一個(gè)逆變器，產(chǎn)生240V或120V交流輸出分配到機(jī)架。
　　取決于配電策略（交流或高壓直流），服務(wù)器可能包含一個(gè)AC/DC電源或DC/DC轉(zhuǎn)換器，用來提供本地48V直流隔離電源總線。為了產(chǎn)生一個(gè)半調(diào)節(jié)的12V總線，來為負(fù)載點(diǎn)（POL）DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電，這當(dāng)中經(jīng)常會(huì)用到一個(gè)額外的中間總線轉(zhuǎn)換器（圖1）。一個(gè)服務(wù)器就可能包含幾個(gè)POL轉(zhuǎn)換器，這些POL轉(zhuǎn)換器靠近處理器和相關(guān)器件，例如專用集成電路（ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。未來，一些POL轉(zhuǎn)換器可能直接通過48V直流母線供電——詳情見后。
　　
　　圖1.數(shù)據(jù)中心分布式電源的電壓轉(zhuǎn)換器
　　圖字：交流線路；隔離，轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)；半調(diào)節(jié)配電總線；總線轉(zhuǎn)換器；隔離，降壓；半調(diào)節(jié)中間總線；niPOL轉(zhuǎn)換器；降壓，調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)負(fù)載電壓
　　如果配電網(wǎng)的總效率為80-90%，則由電力公司提供的電力中有10%以上（由數(shù)據(jù)中心所有者支付）是由這些電源模塊以熱的形式耗散掉的。這種不期望的熱量必須予以消除，從而確保環(huán)境保持在某個(gè)規(guī)定工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定溫度，進(jìn)而確保滿足充分的系統(tǒng)可靠性。對(duì)于許多數(shù)據(jù)中心來說，這個(gè)溫度是20-22℃，其通常通過空調(diào)維護(hù)，有時(shí)通過額外的冷卻器來輔助。一些運(yùn)營(yíng)商可能采取另一種方法，即在建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心時(shí)，將其選址在寒冷的北方氣候中，以便可以利用較低的室外環(huán)境空氣來以較低的成本進(jìn)行冷卻。
　　考慮到電源轉(zhuǎn)換器的損耗和運(yùn)行冷卻系統(tǒng)的電能的組合成本，如果整體電源效率可以提高哪怕僅幾個(gè)百分點(diǎn)，則電費(fèi)就能獲得大幅降低。如果全球所有數(shù)據(jù)中心的效率都提高僅僅1%，那么電費(fèi)節(jié)省就相當(dāng)于近10億歐元。
　　過渡到數(shù)字電源
　　傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器傾向于在恰好低于其最大負(fù)載處達(dá)到某個(gè)效率峰值。效率在最大負(fù)載附近稍微降低，但在較低的負(fù)載下會(huì)顯著降低。發(fā)生這些變化是由于電源的性能是由電容器等器件數(shù)值固定決定的。這些數(shù)值的選取是為了確保在廣泛的工作條件下都能保持反饋穩(wěn)定，但這不能確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率不變。
　　現(xiàn)在，數(shù)字電源的出現(xiàn)為解決這個(gè)缺點(diǎn)提供了解決方案。與傳統(tǒng)的模擬電源不同，數(shù)字電源特性由固件決定。與使用具有固定值的電容器等器件相比，決定運(yùn)行參數(shù)的寄存器的值可以更快更容易地進(jìn)行更改。
　　數(shù)字電源的早期采納者利用其增強(qiáng)的靈活性來簡(jiǎn)化測(cè)試和設(shè)置，并通過創(chuàng)建平臺(tái)電源（可以對(duì)各種應(yīng)用或不同的終端用戶要求或工作條件進(jìn)行配置，只需加載不同的配置文件即可）來利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)。數(shù)字電源功能還可以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)代配電的復(fù)雜性（例如多核處理器或FPGA所需的大量不同電壓軌），并可以對(duì)由網(wǎng)絡(luò)流量需求波動(dòng)產(chǎn)生的線路和負(fù)載條件變化做出響應(yīng)。
　　數(shù)字電源模塊通常由中央控制器進(jìn)行調(diào)整，中央控制器通過電源管理總線（PMBus）連接與模塊進(jìn)行通信，如圖2所示。PMBus是一種由系統(tǒng)管理總線（SMBus）規(guī)范開發(fā)出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為電源模塊之間的數(shù)據(jù)交換定義了物理連接和協(xié)議。此外，數(shù)字電源可以使用較少的板載電容器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而可以實(shí)現(xiàn)更小的電源模塊。這樣便能釋放額外的板級(jí)空間來承受更大的處理能力，進(jìn)而為終端用戶提供更多、更快、更好的服務(wù)。