【FPGA電源技術專輯】智能化數(shù)字電源: 下一代數(shù)據(jù)中心的理想搭檔

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)提供的各種服務也變得越來越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應用服務載體的數(shù)據(jù)中心，其建設需求也在不斷增加。特別是近幾年來，我國三大運營商和IT企業(yè)都投入了大量的資金用于數(shù)據(jù)中心的建設。目前，全國已經(jīng)形成了至少數(shù)百家大小不一的數(shù)據(jù)中心。

高密度已成為服務器設計的一個重要因素。摩爾定律已經(jīng)使人們有可能將多個高性能內(nèi)核集成到一個單一的系統(tǒng)級芯片(SoC)。高密度的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為應用加速和集成提供了進一步的可能性。將FPGA芯片部署在每個邏輯板系統(tǒng)內(nèi)，可以提供強大的計算潛能并顯著降低系統(tǒng)功耗。然而，為了實現(xiàn)更高的集成度，更新的工藝技術促使芯片的供電核電壓進一步降低，并提高了對其精度控制和負載瞬態(tài)響應的要求，對服務器中的配電線路和架構產(chǎn)生一系列影響。

其中的一個趨勢是增加電源的開關頻率，以降低峰值電流需求，這有助于將無源元件的尺寸如電容器減少到最小，并通過一系列電路設計技術減少對開關損耗的影響。

數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)龐大而復雜，它是由UPS系統(tǒng)、后備電池系統(tǒng)、監(jiān)控配電系統(tǒng)組成第一級供電;由AC/DC電源轉(zhuǎn)換、低壓DC/DC變換、板上監(jiān)控等組成第二級供電，其中第二級供電中的DC/DC是和系統(tǒng)的大板集成在一起的，直接給CPU/FPGA/SSD供電，所以要求其效率高、可靠、尺寸小以及具備智能調(diào)壓和監(jiān)控功能。

圖1：數(shù)據(jù)中心和服務器

數(shù)據(jù)中心第二級供電的架構

數(shù)據(jù)中心的第二級供電系統(tǒng)一般由AC/DC電源模塊得到12V并傳輸給系統(tǒng)的背板，控制功能板、硬盤板通過背板取電并互通信號，具體供電架構如圖2。其中控制功能板上有CPU/FPGA以及DDR等一系列功能芯片，一般有幾百瓦的功耗。其中給core電壓供電時，由于電流比較大，一般從12V直接轉(zhuǎn)換，而其它電壓采用IBA(中間總線架構)從5V往下轉(zhuǎn)換。另外，在服務器上SSD應用中，Enpirion 5V產(chǎn)品因為其尺寸小，集成度高，被幾個SSD主控器廠家如SandForce、OCZ、Corsair、LSI等廣泛采用。此外，給板上DDR顆粒的VTT供電的EV1340QI/EV1380QI也廣受用戶青睞。

圖2：數(shù)據(jù)中心第二級供電架構

數(shù)據(jù)中心第二級供電的要求

數(shù)據(jù)中心的第二級供電要求包括以下幾點：

1.小尺寸——現(xiàn)在服務器的容量越來越大，單板上要搭載兩顆CPU、一到兩片

ASIC/FPGA/CPLD等芯片，還有大量的內(nèi)層條和接口端子，留給電源芯片的空間非常緊張。尤其是母板上的嵌入式子卡板(比如FPGA PCIE接口加速卡或者PCIE接口SDD)，其單板的高度往往要求限制在5mm，普通的外置電感的電源的電感高度一般都在5～10mm，很難滿足。Altera Enpirion PowerSoC的高度最小僅1mm，12A的產(chǎn)品也只有3mm高度，從而讓布局非常靈活方便。據(jù)Altera Enpirion電源中國區(qū)資深技術支持專家凌俊杰介紹，正是得益于這些優(yōu)勢，目前Enpirion模塊在服務器行業(yè)主流廠家例如浪潮、曙光中均有突破。

圖3：服務器母板/FPGA PCIE加速卡/SSD板

2.智能調(diào)壓功能——給CPU/ASIC/FPGA核電壓供電需要低壓大電流，甚至達到150A以上，

需要供電系統(tǒng)能夠跟隨芯片工作實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)調(diào)壓以降低功耗。Altera Enpirion EM21X0系列產(chǎn)品應運而生，其可以在18*20*5mm的體積上實現(xiàn)30A輸出電流，并集成了電感，并可以通過多相并聯(lián)向更大的功率擴展。EM21X0通過Altera專利的SmartVID總線和負載芯片或者上位機通訊實現(xiàn)對供電電壓調(diào)節(jié)，電源運行狀態(tài)上報等功能。

圖4：EM11X0框圖

3. 能源管理功能——數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一直在提高數(shù)據(jù)吞吐量和其他系統(tǒng)性能，同時也面臨降

低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，通過重新安排工作流程，將程序轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務器上，使得其他服務器能夠停機，以此來降低總體功耗。如果采用數(shù)字電源管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以為用戶提供實時以及日常的功耗數(shù)據(jù)，方便作出明智的能源管理決策。由于服務器背板上電壓通過中間總線電壓轉(zhuǎn)換，并通過負載點POL DC/DC轉(zhuǎn)換至子電路所需的電壓和工作電流，這些不同的電壓軌對排序、電壓準確度、精度調(diào)節(jié)以及監(jiān)控都有更為嚴格的要求，使得問題更加復雜。因此，客戶需要一種簡單的方法來改進系統(tǒng)，針對每個DC/DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)化系統(tǒng)性能和存儲特定配置值，通過PMBus報警線路將故障通知主機，從而關斷問題電路，以保護主芯片等供電器件，實現(xiàn)準確的微秒級響應時間保護，從總體上來簡化設計工作。

總結：

Altera于2015年8月份被Intel收購， 成為Intel的PSG事業(yè)部。據(jù)Altera Enpirion中國區(qū)業(yè)務發(fā)展經(jīng)理張偉超介紹，Intel已經(jīng)明確表示后續(xù)將繼續(xù)加大對Enpirion的投資，Enpirion電源在進一步支持好FPGA的性能提升的同時，還將繼續(xù)延伸Intel CPU的應用，更好地服務于Intel數(shù)據(jù)中心和廣泛的IOT產(chǎn)品。Enpirion的產(chǎn)品路標將進一步滿足數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品和工業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)的需求。有理由相信，在不久的將來，大家會在中國市場上發(fā)現(xiàn)更多Enpirion的應用。