數字電源轉換解決數據中心的功耗問(wèn)題

在如今這個(gè)以?xún)热轂橹鞯纳鐣?huì )，對于高性能計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲馬力的需求讓 IT 設備的功耗達到了前所未有的水平。因此，由于功耗而產(chǎn)生的運營(yíng)支出以及相應的散熱要求，也越來(lái)越脫離控制。企業(yè)開(kāi)始感覺(jué)經(jīng)濟緊張，而環(huán)境保護問(wèn)題也讓政府將原本只面向能源星法案擴大到企業(yè)設備。

這場(chǎng)“綠色 IT”行動(dòng)讓 IT 經(jīng)理們將低功耗作為采購產(chǎn)品的第一標準。OEM 也需要面對在不擴大設備外形的情況下將其性能提高一倍的挑戰，并因而加倍功率密度?，F有的模擬產(chǎn)品方案卻讓 IT 設備廠(chǎng)商應對這一挑戰的能力受到了限制。

在大型數據中心的部署過(guò)程中，因功耗及散熱相關(guān)而產(chǎn)生的運營(yíng)支出問(wèn)題更為嚴重。由Lawrence Berkeley Labs等組織進(jìn)行的多項研究顯示，在傳輸給數據中心的電能中，幾乎有59%的電能被浪費在電能傳輸和散熱損耗中。Gartner 公司在 2006 年 11 月的一則報道中指出：“到 2008 年年底，全球將有一半的數據中心用電超標”。

數據中心中的服務(wù)器大都有多余的電源。這意味著(zhù)一個(gè)電源一般只以不高于其額定電源容量的 30%～50%來(lái)工作。另外，如今數據中心服務(wù)器大部分電能利用率只有 20%～40%，也就是說(shuō)，其中的電源一般只以負載的 10%～20%運行。盡管很多目前的服務(wù)器一般都擁有能滿(mǎn)足 80Plus 能效標準的電源，但這些電源是在全負載狀態(tài)下才是能效最高的。通過(guò)數字控制來(lái)以輕負載實(shí)現高能效

要設計能在輕負載狀況下高效工作的電源，最大的問(wèn)題就是要克服巨大的固定損耗 - 這些損耗主要取決于電源所驅動(dòng)的負載。用來(lái)給內部控制和通信電路供電的內部管理和偏壓電源就是固定損耗的一個(gè)例子。目前很多方案都無(wú)法克服這些損耗問(wèn)題，因為它們是模擬方案。

很多方案都號稱(chēng)是數字方案，但實(shí)際上只是以一個(gè)集成硅方案代替了模擬器件，并通過(guò)這些集成硅方案來(lái)集成 PMBus 等行業(yè)通信標準。一個(gè)真正的數字方案是可以利用電源以及數字控制的優(yōu)勢來(lái)提高輕負載能效等終端應用能效的。例如，ColdWatt 公司的模塊式數字架構就充分利用了可通過(guò)一個(gè)“真正的數字架構”實(shí)現的靈活而復雜的控制。

這一模塊式數字架構的基礎在于平臺具有的數字處理能力。它采用了各種處理元件，因此可以利用各種專(zhuān)有技術(shù)的優(yōu)勢，如磁技術(shù)和復雜的數控算法等。這些補充技術(shù)讓 ColdWatt 可以實(shí)現比現有電源轉換方案高出許多的電源轉換能效。復雜控制算法讓專(zhuān)有磁技術(shù)可以實(shí)現最優(yōu)化，從而將輕負債和重負載兩種情況下的損耗降至最低。

用于控制的復雜算法可以有效提供能效增益，因為它們有很高的系統感知能力，并且可以動(dòng)態(tài)調節功耗響應，以確保能效不會(huì )降低。數字架構會(huì )持續記錄和監控輸入/輸出電壓、電流、功率和溫度等關(guān)鍵系統參數來(lái)實(shí)現這一決策過(guò)程。該架構增強了的處理能力可以用來(lái)給系統的其它部分提供額外的系統感知能力。

“黑匣子”功能

可靠性和可追蹤能力是對于當今服務(wù)器 OEM 的關(guān)鍵要求。記錄并取回以上提到的重要系統參數的能力正日益成為一個(gè)要求。為此，ColdWatt 開(kāi)發(fā)了一個(gè)電源的“黑匣子”功能，類(lèi)似于飛機的飛行數據記錄器。這種技術(shù)讓關(guān)鍵系統參數可以在系統發(fā)生故障時(shí)被儲存。這些數據隨后會(huì )被取回，并用來(lái)分析故障發(fā)生的原因以及如何在將來(lái)避免這種故障。

如圖 1 所示，OEM 可以利用 I2C 或 PMBus 的通信能力來(lái)連續取回數據，以監控系統功耗和能效，或者決定事件嚴重程度來(lái)關(guān)斷電源。OEM 還可利用這一信息，并根據電源的累計工作時(shí)間來(lái)預測故障，從而可以預先解決任何與系統各種組件工作壽命有關(guān)的可靠性問(wèn)題。

正如前文所述，數據中心的功耗和散熱已經(jīng)成為一個(gè)重要問(wèn)題。帶監控功能的電源可以被系統用來(lái)確定每個(gè)服務(wù)器上的負載。該信息可以用來(lái)檢測熱區，并進(jìn)而將該服務(wù)器的任務(wù)重新分配給另一個(gè)溫度更低的服務(wù)器。另外，數據中心的操作員還可以利用功耗數據來(lái)確定其客戶(hù)的費用，比如，在協(xié)同定位中，他們可以使用該數據來(lái)確定某個(gè)客戶(hù)實(shí)際使用了多少容量。

數字控制不僅能帶來(lái)更高級的系統功能，還能大大提高能效。從一個(gè)終端用戶(hù)的角度來(lái)講，能效增益的作用是巨大的。輕負載情況下的電源能效對整體功耗有巨大的影響。

例如，經(jīng)過(guò)測量發(fā)現，在 20%的負載情況下，ColdWatt 的電源比現在的業(yè)界領(lǐng)先級 80Plus電源能效至少高 5%。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室發(fā)明了一種可以計算更高效電源可節省的電能的工具。通過(guò)這一工具進(jìn)行的計算結果顯示，在包含了 3 萬(wàn)臺服務(wù)器的數據中心里，用戶(hù)使用 ColdWatt 的電源比使用 80Plus 電源可以節省大約 100 萬(wàn)美元的支出。這個(gè)數字不僅在經(jīng)濟上來(lái)說(shuō)是巨大的，更令人映象深刻的是，這些被浪費的電能可以供應額外的 870個(gè)服務(wù)器，這可以讓用戶(hù)大大提高數據中心的計算能力。

用 ColdWatt 公司的電源產(chǎn)品來(lái)節能對環(huán)境的好處

隨著(zhù)越來(lái)越多的業(yè)務(wù)和服務(wù)依賴(lài)于計算和處理能力，對于新型服務(wù)器和數據中心的需求也繼續增強。功耗不僅是一個(gè)涉及到財政支出的問(wèn)題，也關(guān)系到環(huán)境保護。

高效的電源對于解決這兩方面的問(wèn)題都有積極作用。“綠格(Green Grid)計劃”和“計算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)”等紛紛發(fā)起，都是為了解決這兩個(gè)問(wèn)題。ColdWatt 公司是這兩個(gè)計劃的創(chuàng )始成員，并堅信其電源轉換產(chǎn)品對行業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護都有積極作用。一個(gè)基于數字電源轉換平臺的整體能效方案可以帶來(lái)很高的系統整體能效和更高的系統可靠性。