快速增長的數(shù)字宇宙中的服務器電源

　　摘要：今天，服務器群的電力需求從早年的1kW/機架增加到了20kW。數(shù)據(jù)流量趨勢正在加速，預計在不久的將來需求將達到30kW/機架。48V DC配電提供了一個可以隨著服務器部署規(guī)模提升的高功率密度。

　　1 增長的服務器密度

　　到2020年末，數(shù)字宇宙(一年內(nèi)創(chuàng)建、復制和消耗的所有數(shù)字數(shù)據(jù)的度量單位)將達到40澤字節(jié)(40×10²¹)，這相當于在2010年基礎上增長了50倍^[1]。

　　為了支持這一空前的流量增長。服務器都采用了多核處理器，并增加了每個板的處理器數(shù)量。整體機架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機架7臺服務器達到2010年的每機架20臺服務器。機架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機架達到2007年的10kW/機架，今天許多新安裝的設備超過了20kW/機架。

　　對于新設備和那些正在升級的服務器，這些趨勢已經(jīng)很難繼續(xù)用使用單相AC-DC轉(zhuǎn)換器的12V電壓在機架級分配電能。

　　2 12V配電的挑戰(zhàn)

　　基于12V配電的典型服務器機架使用一個電力輸送單元(PDU)，包括EMI電源濾波器和一個有480V三相輸入和277V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機架的AC-DC轉(zhuǎn)換器供電。要為一個10kW機架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉(zhuǎn)換器必須為其IT負載組合提供超過800A功率。原理圖示例如圖1所示。

　　這些銀盒獨立工作，無需同步，導致其輸入電流波形出現(xiàn)了更豐富的諧波含量。轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正(PFC)電路可正確輸入相對于輸入電壓波形的電流波形，但隨著銀盒制造商在努力提高功率轉(zhuǎn)換效率，AC線路上的諧波含量也在不斷增加^[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold認證的銀盒可提供92%的峰值效率，產(chǎn)生其輸入電流波形約5%的總諧波失真(THD)(相對于基波頻率)。符合80-Plus Titanium認證的AC/DC轉(zhuǎn)換器可提供96%的峰值效率，產(chǎn)生約12%的總諧波失真。

　　此外，銀盒是異步操作，因此所產(chǎn)生的諧波電流與上游AC線相互作用，且通常在PDU或不間斷電源(UPS)中的三相變壓器內(nèi)組合，從而產(chǎn)生更寬的中、低頻諧波(幾Hz到幾kHz)。

　　最近的研究^[5-6]表明，當一個線路變壓器的電流波形的總諧波失真超過5%時，每增加2%的總諧波失真可產(chǎn)生額外1%的總功率損耗，通常發(fā)生在PDU(或UPS，或兩者)中。對于一個為80-Plus Titanium AC-DC轉(zhuǎn)換器供電的10kW系統(tǒng)，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當于PDU耗散了350W。系統(tǒng)設計人員必須估計PDU的大小，以適應額外損耗，從而增加了機架的安裝成本，并影響整個系統(tǒng)的可靠性。

　　最終，隨著機架功率的持續(xù)增加，12V配電開始出現(xiàn)更基本的問題。由于個別主板增加了內(nèi)核、內(nèi)存和I/O，細分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實際和經(jīng)濟規(guī)模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會對整體機架密度產(chǎn)生負面的影響。在20kW/機柜中，12V電源架必須提供凈1.7kA，而機架供電要求并沒有停滯不前。