功率半導體是提高MIPS/m2的關鍵

從電子郵件到網上購物，從社會化網絡到博彩，從VoIP電話到視頻點播，電子商務、網絡通信和在線或可下載的娛樂都在近年內呈指數(shù)增長。這種增長給電子系統(tǒng)（這些系統(tǒng)多處在安全數(shù)據中心中）帶來了不斷增加的要求，使這些系統(tǒng)全天24小時或全年365天不間斷地存儲、處理和傳輸最基本的數(shù)據。而要使這些系統(tǒng)高效地運轉就存在著經濟、立法和環(huán)境的巨大壓力。

一個“典型”的數(shù)據中心包括了服務器、存儲區(qū)網絡、路由器和交換機。過去，這些數(shù)據中心的表現(xiàn)主要由性能密度(MIPS/m2)參數(shù)來衡量。而現(xiàn)在，這種情況將因多種因素而改變。

首先，對于數(shù)據中心設備來說，生命周期內的操作成本是初期投入的3倍。第二，由電能使用造成的環(huán)境沖擊正驅動著增進能效最大化的立法。第三，出于真實的考慮，沒有效率的提升，許多數(shù)據中心就不能應對能源和基本附屬設施的需求增長。

其結果，我們要繼續(xù)提升的主要品質因數(shù)就是執(zhí)行效率，或MIPS/W。而且，通過提高設備和基本附屬設施的效率，最新的功率半導體技術將在提升品質因數(shù)中扮演一個重要角色。

數(shù)據中心的能耗

我們能明確數(shù)據中心的兩個能耗源。第一種是處理、存儲、交換和路由設備本身。第二種來自需要冷卻的基礎結構和對這些服務器、存儲網絡、開關和路由的保護。每一種能量使用都是相當?shù)?，而且也是相關的。

設備能耗包含三個主要元素。像微處理器和內存條之類的電子負載消耗了60%～70%的能量，電源消耗了25%～30%的能量，制冷消耗了5%。

當在減輕負載（多核處理器和虛擬技術的引入）的能量狀態(tài)方面有顯著進步時，工程師就有更多的機會來降低這些主要消耗源的能耗。例如，新的“智能電源”管理系統(tǒng)使用了對電源關鍵元件的聯(lián)合設計，讓關鍵部件都整合到了一個平臺中。這些電源系統(tǒng)都基于先進功率半導體器件，其關鍵部件是高效和高密度能量轉換級，先進的快速響應電源控制器，可編程和診斷的數(shù)字接口，準確的電源監(jiān)控，系統(tǒng)控制器和排序功能。

先進的能量轉換級

相比與傳統(tǒng)設計，先進的能量轉換級能減少1/3的功率損耗。圖1中的產品使用了業(yè)界領先的MOSFET技術。在圖中，具有高能量密度的半導體技術結合了先進的封裝技術，而這種封裝技術具有幾乎為零的封裝電阻和電感，并可提供業(yè)界最低的工業(yè)熱阻抗。

圖1 先進的MOSFET技術

同標準的塑料分立封裝相比，這些基準MOSFET的金屬罐使雙面冷卻成為可能，能有效地使高頻率DC/DC降壓變換器的電流處理能力提高一倍。而電路板設計尺寸的縮減能有效地減少能量損失。當驅動IC與創(chuàng)新的控制方案連同高效MOSFET一起工作的時候，工程師能獲得最好的效率與電氣性能的結合。以處理器為例，使用這種技術能增加5%～6%的效率。

先進電源系統(tǒng)

先進電源系統(tǒng)對負載的功率耗散有更大的影響。高負載功率，像微處理器和內存，會隨其所需性能和功能的快速變換而產生不可預知的能量狀態(tài)。在服務器的需要下，這些負載會超出它們自己的熱極限，進而產生一個性能上的回調來冷卻硅器件和封裝。而一旦有效地冷卻后，負載會再次增加，這就造成了一個無效的“停止、啟動”的熱和功率循環(huán)。

允許高性能的硅器件進入熱和功率循環(huán)將浪費能量并犧牲性能。然而，通過動態(tài)地監(jiān)視瞬間電能，記錄變化趨勢，理解負載的熱阻抗，將有可能使功率系統(tǒng)準確地預計系統(tǒng)中任一點的熱量。有了這些信息，系統(tǒng)就能通過改變負載的電氣特性（比如動態(tài)地改變核心電壓或降低時鐘速度）來限制其功耗并建立正確的冷卻條件。比如，采用能量效率提升后的變速運動控制，可確保負載不會離開它所需的隔熱層，優(yōu)化吞吐量，增強性能。這樣能降低總能耗的15%～20%。

應用實例

我們可以通過現(xiàn)代數(shù)據中心的幾項新技術來說明最新的集成電源管理半導體技術所產生的影響。感謝它們的模塊性、低成本和小體積，其代表就是機架固定的“刀鋒服務器”。

通過增加機架容納性，高密度刀鋒數(shù)據處理器可以隨需要而增加能力。然而，最新服務器的主板上已經能容納四個處理器了，它們的功率需求和散熱因此就變得同等重要。在實際中，數(shù)據中心經常會留出空插槽以提供更好的冷卻，使系統(tǒng)保持在熱規(guī)格中。

幸運的是，最新一代的功率半導體技術能幫助工程師處理這個問題。文章中將介紹兩種方法來降低刀鋒服務器的總功耗。這樣就減少了冷卻需求，進而增加機架中的刀鋒服務器密度。

第一種方法是讓工程師開發(fā)高效率的在板電源。將近80%的功率通過在板電源進入服務器的，因此電源效率對系統(tǒng)效率有巨大的影響。大量的能量消耗在處理器和內存上。舉例來說，一個典型的高效率微處理器能消耗130A（在 1.1V條件下）或146W。今天，一個在板電源有80%的效率和20%的損耗是很正常的。

隨著先進的功率控制和轉換技術，比如國際整流器公司（International Rectifier）的XPhase可升級多相位結構（見圖2）和DirectFET MOSFET，可將系統(tǒng)的總效率增加至88%以上，能減少40%的系統(tǒng)功耗。國際整流器公司還開發(fā)一系列的精確實時功率監(jiān)控IC。該產品能促進工程師設計出可降低動態(tài)能量損失的刀鋒服務器。

圖2 國際整流器公司的多相位控制器

結論

使用上述先進功率半導體技術的成本會低于節(jié)省出的成本。此外，這些方法還有第二個好處。例如，因為散熱少，板級的風扇就會低速運轉，這樣可節(jié)省能量并降低噪聲。實際上，采用優(yōu)化的集成了高級功率轉換、準確的動態(tài)功率監(jiān)控和高性能功率控制器的電源管理系統(tǒng)最短可在三年內降低數(shù)據處理中心25%的能量損耗。