快速增長的數(shù)字宇宙中的服務器電源

　　48等于新的12

　　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)(ZB，40×1024字節(jié))，這相當于在2010年基礎上增長了50倍[1]。據(jù)思科系統(tǒng)公司(CiscoSystems)預測，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過1澤字節(jié)大關(guān)[2]。這些趨勢代表了推動中型和大型服務器應用規(guī)模的數(shù)據(jù)環(huán)境變化的兩個指標。

　　越來越多的訪問，更加密集的內(nèi)容，不斷擴大的資源

　　消費者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數(shù)據(jù)傳輸空前的增長。思科預測，2012年至2017年間消費者IP流量的年復合增長率(CAGR)為23%，主要由北美和亞太地區(qū)的用戶貢獻(見圖1)。但是，全球所有地區(qū)新用戶的增長速度均低于5%(見表1)。

　　北美–23%CAGR

　　亞太-26%CAGR

　　西歐-17%CAGR

　　中東歐-24%CAGR

　　南美–17%CAGR

　　中東及非洲–42%CAGR

　　年

　　圖1：預計全球年度消費者IP流量年均復合增長率將增長23%，遠高于將支持的新用戶增長速度。

　　數(shù)據(jù)來源：思科系統(tǒng)公司。

　　有三個關(guān)鍵因素導致了遠遠超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長速度的快速流量增長。典型手機用戶平均每天約144次查看他們的設備，產(chǎn)生了IP流量時間的46%[3]。由于公共熱點提供的基本接入無處不在，便攜式設備為用戶提供了在辦公和家庭范圍之外全天候獲取信息、通信和娛樂服務的方便。自2009年以來，一個正在加速的趨勢是，便攜式設備占整體流量的比例越來越大，以其目前的軌跡，到2015年中期將達到30%(見表2)。

　　日期移動流量占全球流量百分比

　　內(nèi)容也已經(jīng)從主要基于文本轉(zhuǎn)向主要基于媒體。一張圖片的大小值可能是1000個字，而一個圖像可能很容易地占用五十萬字個字以上的數(shù)據(jù)空間。視頻是不斷增長的數(shù)據(jù)組合的一部分。僅YouTube上傳的視頻就已經(jīng)從2009年的每分鐘20小時增加到2013年的每分鐘100小時。

　　內(nèi)容提供商已經(jīng)通過各種任何東西點播(anything-on-demand，XOD)門戶網(wǎng)站在線提供了完整的電視劇和全長影片。大部分生產(chǎn)設施都已轉(zhuǎn)換到高清(HD)視頻格式，這需要標清(SD)視頻四到五倍的帶寬。到2015年，視頻剪輯和流媒體電視節(jié)目的流量預計將超過網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

　　現(xiàn)在，連網(wǎng)的設備比地球上的人還要多，設備的增長速度超過了人口的增長。思科預計，到2017年機器對機器(M2M)應用中將有60億部設備貢獻IP流量。

　　增長的服務器密度

　　為了支持這一史無前例的流量增長，預計全球平均固定寬帶速度將從2012年的11Mbps提高到2017年的39Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎設施項目可能會實現(xiàn)光纖到戶(FTTP)，提供高達1Gbps的服務。

　　作為響應措施，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。

　　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2所示。

　　圖2：有單相AC配電和12V服務器主板的高密度計算機架示意圖。

　　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-PlusGold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-PlusTitanium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-PlusTitaniumAC-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。

　　48等于新的12

　　48V配電設計在一些重要方面不同于超過配電方案操作潛力的12V系統(tǒng)。最值得注意的是，48V配電系統(tǒng)可以用一個400V/480V三相整流器來替代PDU變壓器和銀盒(原理圖示例如圖3所示)。一個現(xiàn)代整流器可產(chǎn)生約3%的總諧波失真，且很少超過5%，即使是在輕負載條件下。整流器數(shù)目的減少(由于較高的單位功率)和線路電流所消耗的本來就較低的諧波含量，導致系統(tǒng)級電流波形諧波要低得多。

　　整流器

　　48V電池

　　54V服務器，700W

　　整流器

　　圖3：有54VDC配電和集成短期備份的高密度計算機架示意圖。

　　服務器運營商可以充分利用現(xiàn)有400V/480V三相AC至48VDC設備的規(guī)模經(jīng)濟，這些設備已在電信和其他48V應用中廣泛使用。一個典型10kW單元僅需2U(89mm)的機架高度，即可提供≥97%的轉(zhuǎn)換效率和<5%的總諧波失真。相比之下，400V/480V三相到12V整流器是不實用的，因為它有非常高的電流輸出。

　　導通損耗和導線尺寸的實際限制限制了電力可以經(jīng)濟地傳輸(基于12V機架的系統(tǒng))達到約5kW的距離。使用相同輸電基礎架構(gòu)的48V配電可以提供20kW——足以從一個三相整流器為整個服務器機架供電。

　　消除了機架中單相AC的DC配電戰(zhàn)略還簡化了電池備份的實現(xiàn)：電池組不需要通過一臺UPS逆變器來升頻轉(zhuǎn)換(upconvert)，進而驅(qū)動AC-DC轉(zhuǎn)換器。相反，48V備用電池可以通過一個管理轉(zhuǎn)換、電池充電、電池監(jiān)測和狀態(tài)報告的最小控制界面來驅(qū)動IT負載。

　　日益轉(zhuǎn)向48V配電要求系統(tǒng)設計人員重新思考自己的板電源(board-power)策略。有幾個可以考慮的選項，不過也有一些比12V設計使用的選項更簡單和尺寸更小。一個例子是Vicor的符合48V英特爾VR12.5標準的參考設計，它可以消除一個中間轉(zhuǎn)換級。Vicor的方法避免了多相位轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，從而減少了元件數(shù)量，并有助于在流行的36-60V電信電壓范圍實現(xiàn)直接連接電源(包括備份)。元件數(shù)量的減少和更小的儲能要求允許設計人員讓電源傳送電路(powertrain)更靠近處理器，進而降低與PCB走線長度大致成正比的損耗和寄生電感。

　　對于處理器和內(nèi)存之外的板上負載，單級降壓預計將實現(xiàn)整個服務器板的48V配電。隨著越來越高的功率密度需求，散熱設計成為了一個日益受到關(guān)注的問題。封裝技術(shù)，如Vicor的轉(zhuǎn)換器級封裝(ConverterhousedinPackage，ChiP)平臺兼容了雙面冷卻，可以簡化熱-機械設計。

　　總體而言，48V配電設計比12V方案使用材料的更少。其機架級材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48V英特爾VR12.5標準的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應是更高的可靠性、更好的可擴展性和更高的功率密度。

　　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。

　　在一段距離上的電流幅值和功率傳遞的實際限制迫使人們安裝高密度服務器，從12V配電轉(zhuǎn)向48V設計。這種轉(zhuǎn)變帶來的是12V系統(tǒng)無法提供的好處。

　　當板上轉(zhuǎn)換器直接以48V運行時，48V電源特別具有吸引力。這些拓撲結(jié)構(gòu)可以減少元件數(shù)量、能量儲存和損耗，同時提高可靠性。諸如ChiP的新的封裝技術(shù)允許雙面冷卻并簡化散熱設計。

　　48VDC配電提供了一個可以隨預見的服務器部署規(guī)模提升的高功率密度。

　　Vicor

　　參考文獻：

　　1.DigitalUniverseStudy,IDC,SponsoredbyEMC,December2012.

　　2.CiscoVisualNetworkingIndex：ForecastandMethodology,2012-2017,CiscoSystems,May2013.

　　3.Meeker,MaryandLiangWu,InternetTrendsD11Conference(presentation),KPCB,May29,2013.

　　4.Surgeinvideowilldriveglobaldatatraffictomorethan60,000Petabytesin2016,

　　ABIresearch,May10,2011.

　　5.DataCenterpowersystemharmonics：anoverviewofeffectsondatacenterefficiencyandreliability,TheGreenGrid,2013.

　　6.ThecostofHarmonicLossesandmitigationsindistributionsystems,

　　18thInternationalConferenceon

　　ElectricityDistribution,6-9June2005.