提升“云”端電源效率

摘要：數(shù)據(jù)中心雖然擁有優(yōu)秀的計算能力，但是同時，其耗電量也很驚人。提升云端的電源效率已經(jīng)成為當下面臨的一個挑戰(zhàn)。本文介紹了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀以及提升其電源系統(tǒng)能力、降低能耗的幾種方式。

　　移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機顯著地改變了我們在工作和生活中使用和交流信息的方式。而存儲服務器，即通常所稱的“云”，日益成為大多數(shù)主流應用的部署平臺。它們利用互聯(lián)網(wǎng)和極其強大的資源來整合和處理分布廣泛的數(shù)據(jù)，并快速響應用戶的請求。這向客戶提供了實時在線和始終在線(always-on)的響應、無所不在地接入和顯著降低資本投資的承諾。云服務器是我們?nèi)粘；顒硬豢扇鄙俚囊徊糠郑瑹o論是消費類網(wǎng)站、視頻流應用、作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎(chǔ)的工業(yè)機對機(M2M)活動，還是諸如SAP等企業(yè)解決方案都離不開這些服務器的支持。

云的成長

　　每當我們進行在線搜索、觀看視頻，或在Facebook、微博、微信上發(fā)布視頻和照片時，相關(guān)公司管理的數(shù)據(jù)中心要執(zhí)行數(shù)十億次運算并消耗數(shù)百萬瓦電力。而受到移動計算的日益普及等因素的推動，服務器容量更以非同尋常的速度增加。據(jù)估計，云計算市場規(guī)模已從2006年的基本為0增至2014年的580億美元;據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Forrester Research預測，公共云(不包括專屬(captive)數(shù)據(jù)中心)的規(guī)模將在2020年達到1910億美元。

　　云計算營收增長的原因包括由于技術(shù)成熟和競爭加劇所導致的價格下降。更令人驚訝的是云的原始計算能力的增長。據(jù)估計，領(lǐng)先云服務提供商AWS已在全球部署了超過280萬臺服務器。在架構(gòu)上，服務器也取得了顯著的進化，轉(zhuǎn)向超大規(guī)模和多線程結(jié)構(gòu);處理器內(nèi)核的原始吞吐量也得到顯著提升。更多設計技術(shù)，例如能夠動態(tài)地改變時鐘速度和供電電壓，以及改變同時運行的內(nèi)核數(shù)目，都有助于更好地對計算負載需求進行動態(tài)響應。不過這也顯著增加了電源功率輸出要求的復雜性。

不斷增加的耗電量

　　由于服務器數(shù)量的迅猛增加，其能耗也隨之大幅上升。要取得準確的耗電量信息并不容易，但我們知道，一個功率消耗3MW的典型數(shù)據(jù)中心可容納超過8,000臺服務器。谷歌公司在2011年估計，單單其數(shù)據(jù)中心就需要連續(xù)消耗約260MW的電力，相當于一座最先進核能發(fā)電廠輸出電力的25%。為了緩解電力傳輸挑戰(zhàn)，全世界的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都選址于鄰近大型發(fā)電廠，如哥倫比亞河水力發(fā)電系統(tǒng)等。根據(jù)全球2010年的統(tǒng)計數(shù)字，數(shù)據(jù)中心耗電量為全球耗電量的1%～1.5%，相當于巴西的全年總耗電量。在美國，數(shù)據(jù)中心耗電量接近全國總耗電量的2%，相當于新澤西州的總耗電量。也就是說，到2010年底，數(shù)據(jù)中心給美國電網(wǎng)增加了整整一個新澤西州的耗電量，而且其耗電量還在增加。

　　這種大規(guī)模的耗電量的增加具有重大的經(jīng)濟影響。雖然處理器核心可以提供更大的處理能力，遵循摩爾定律并進行架構(gòu)改進，但其工作電壓并沒能快速跟上，以降低總耗電量。數(shù)據(jù)中心主要有兩種用電方式：一是提供計算機所需的電能，二是對其進行充分冷卻，使系統(tǒng)保持在正常工作溫度范圍之內(nèi)。因此，輸電效率的小幅提升也對改善效益具有顯著影響。除了減少電費，高效的電力輸送還可在既定預算下增加數(shù)據(jù)中心容量——鑒于裝機容量保持著每年兩位數(shù)的快速增長，所以這是一個非常重要的考慮事項。

電源分配

　　最先進的數(shù)據(jù)中心電源分配由一系列步降電壓和緊隨其后的負載點電力輸送組成，原始效率是最大的挑戰(zhàn)，但電源系統(tǒng)還能通過幾種方式提升能力，以幫助降低能耗。

　　多相工作：最新一代基礎(chǔ)設施電源轉(zhuǎn)換器支持多相工作方式，并將從輕負載到峰值負載的電力輸送保持在接近峰值效率的水平。它們通過并聯(lián)多個輸電相來達到接近峰值效率，由控制器根據(jù)耗電量來調(diào)節(jié)這些相位。圖1顯示了一種典型的多相系統(tǒng)，其中穩(wěn)壓器負責調(diào)節(jié)每個電感，以提供可變電流值。多相工作可彌補單相轉(zhuǎn)換器的一個重要缺點，即效率在額定負載下達到峰值，但在極高負載時下降。圖2顯示了多相系統(tǒng)如何根據(jù)負載來智能地選擇相數(shù)。在很大工作負載范圍內(nèi)使效率曲線平坦化，可免除數(shù)據(jù)中心規(guī)劃員在對典型負載和最大負載進行優(yōu)化之間進行選擇。

　　并聯(lián)電源通道：將處理器核心分成多個“電源孤島(power island)”，可使系統(tǒng)的不同構(gòu)成部分能夠在其不使用時斷電。電力輸送系統(tǒng)現(xiàn)在能滿足提供多個同步電源軌的需要。

　　通信：目前的處理器核心通過數(shù)字總線(通常為PMBus)將預期的耗電量傳達給電源轉(zhuǎn)換器。負載變化可能是增加的額外處理器核心的函數(shù)、處理器時鐘速度的變化或?qū)浖谔幚硖貏e密集的指令序列的認知。借助對預期負載的洞察，控制器能夠使電源效率在負載范圍內(nèi)保持最大化。管理能耗持續(xù)時間及水平的能力為服務提供商帶來了另一大優(yōu)勢：它們能夠使用系統(tǒng)活動的持續(xù)時間和強度來計算每個處理任務的賬單。

下一步是什么?

　　在不久的將來，多相控制器將提供全數(shù)字控制回路，并集成時序控制、遙測和先進的故障處理功能。它們還將提供眾多處理器接口選項，并支持帶有集成驅(qū)動器和同步FET的智能功率級。電源設計師將能使用軟件GUI(如Intersil的PowerNavigator)快速配置、確認和監(jiān)測其電源的所有轉(zhuǎn)換及工作參數(shù)。PowerNavigator還能只需點擊幾下鼠標就能改變?nèi)魏螀?shù)、遙測或電源軌時序控制。隨著集成了時序控制和其他新特性的數(shù)字多相控制器的上市，使用多個電源的系統(tǒng)將能以正確的順序啟動電壓軌。系統(tǒng)電源可進行預分配，電壓轉(zhuǎn)換器能為負載提供合適的電力供應，并滿足效率要求。這些都是在下一代數(shù)據(jù)中心“云”系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)字控制的顯著優(yōu)點。

結(jié)論

　　“云”計算具有綠色環(huán)保的特性。雖然消耗大量能源，但計算任務在云端的高效整合(采用一些迄今最強大的計算系統(tǒng))仍有望降低跨系統(tǒng)執(zhí)行計算任務所需的總能耗。數(shù)據(jù)中心不斷提高的電力需求也為半導體制造商提供了創(chuàng)新和突破的重要機遇。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第25頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。