從電子郵件到網(wǎng)上購物，從社會(huì )化網(wǎng)絡(luò )到博彩，從VoIP電話(huà)到視頻點(diǎn)播，電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò )通信和在線(xiàn)或可下載的娛樂(lè )都在近年內呈指數增長(cháng)。這種增長(cháng)給電子系統（這些系統多處在安全數據中心中）帶來(lái)了不斷增加的要求，使這些系統全天24小時(shí)或全年365天不間斷地存儲、處理和傳輸最基本的數據。而要使這些系統高效地運轉就存在著(zhù)經(jīng)濟、立法和環(huán)境的巨大壓力。
一個(gè)“典型”的數據中心包括了服務(wù)器、存儲區網(wǎng)絡(luò )、路由器和交換機。過(guò)去，這些數據中心的表現主要由性能密度(MIPS/m2)參數來(lái)衡量。而現在，這種情況將因多種因素而改變。
首先，對于數據中心設備來(lái)說(shuō)，生命周期內的操作成本是初期投入的3倍。第二，由電能使用造成的環(huán)境沖擊正驅動(dòng)著(zhù)增進(jìn)能效最大化的立法。第三，出于真實(shí)的考慮，沒(méi)有效率的提升，許多數據中心就不能應對能源和基本附屬設施的需求增長(cháng)。
其結果，我們要繼續提升的主要品質(zhì)因數就是執行效率，或MIPS/W。而且，通過(guò)提高設備和基本附屬設施的效率，最新的功率半導體技術(shù)將在提升品質(zhì)因數中扮演一個(gè)重要角色。
數據中心的能耗
我們能明確數據中心的兩個(gè)能耗源。第一種是處理、存儲、交換和路由設備本身。第二種來(lái)自需要冷卻的基礎結構和對這些服務(wù)器、存儲網(wǎng)絡(luò )、開(kāi)關(guān)和路由的保護。每一種能量使用都是相當的，而且也是相關(guān)的。
設備能耗包含三個(gè)主要元素。像微處理器和內存條之類(lèi)的電子負載消耗了60%～70%的能量，電源消耗了25%～30%的能量，制冷消耗了5%。
當在減輕負載（多核處理器和虛擬技術(shù)的引入）的能量狀態(tài)方面有顯著(zhù)進(jìn)步時(shí)，工程師就有更多的機會(huì )來(lái)降低這些主要消耗源的能耗。例如，新的“智能電源”管理系統使用了對電源關(guān)鍵元件的聯(lián)合設計，讓關(guān)鍵部件都整合到了一個(gè)平臺中。這些電源系統都基于先進(jìn)功率半導體器件，其關(guān)鍵部件是高效和高密度能量轉換級，先進(jìn)的快速響應電源控制器，可編程和診斷的數字接口，準確的電源監控，系統控制器和排序功能。
先進(jìn)的能量轉換級
相比與傳統設計，先進(jìn)的能量轉換級能減少1/3的功率損耗。圖1中的產(chǎn)品使用了業(yè)界領(lǐng)先的MOSFET技術(shù)。在圖中，具有高能量密度的半導體技術(shù)結合了先進(jìn)的封裝技術(shù)，而這種封裝技術(shù)具有幾乎為零的封裝電阻和電感，并可提供業(yè)界最低的工業(yè)熱阻抗。
圖1 先進(jìn)的MOSFET技術(shù)
同標準的塑料分立封裝相比，這些基準MOSFET的金屬罐使雙面冷卻成為可能，能有效地使高頻率DC/DC降壓變換器的電流處理能力提高一倍。而電路板設計尺寸的縮減能有效地減少能量損失。當驅動(dòng)IC與創(chuàng )新的控制方案連同高效MOSFET一起工作的時(shí)候，工程師能獲得最好的效率與電氣性能的結合。以處理器為例，使用這種技術(shù)能增加5%～6%的效率。
先進(jìn)電源系統
先進(jìn)電源系統對負載的功率耗散有更大的影響。高負載功率，像微處理器和內存，會(huì )隨其所需性能和功能的快速變換而產(chǎn)生不可預知的能量狀態(tài)。在服務(wù)器的需要下，這些負載會(huì )超出它們自己的熱極限，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)性能上的回調來(lái)冷卻硅器件和封裝。而一旦有效地冷卻后，負載會(huì )再次增加，這就造成了一個(gè)無(wú)效的“停止、啟動(dòng)”的熱和功率循環(huán)。
允許高性能的硅器件進(jìn)入熱和功率循環(huán)將浪費能量并犧牲性能。然而，通過(guò)動(dòng)態(tài)地監視瞬間電能，記錄變化趨勢，理解負載的熱阻抗，將有可能使功率系統準確地預計系統中任一點(diǎn)的熱量。有了這些信息，系統就能通過(guò)改變負載的電氣特性（比如動(dòng)態(tài)地改變核心電壓或降低時(shí)鐘速度）來(lái)限制其功耗并建立正確的冷卻條件。比如，采用能量效率提升后的變速運動(dòng)控制，可確保負載不會(huì )離開(kāi)它所需的隔熱層，優(yōu)化吞吐量，增強性能。這樣能降低總能耗的15%～20%。
應用實(shí)例
我們可以通過(guò)現代數據中心的幾項新技術(shù)來(lái)說(shuō)明最新的集成電源管理半導體技術(shù)所產(chǎn)生的影響。感謝它們的模塊性、低成本和小體積，其代表就是機架固定的“刀鋒服務(wù)器”。
通過(guò)增加機架容納性，高密度刀鋒數據處理器可以隨需要而增加能力。然而，最新服務(wù)器的主板上已經(jīng)能容納四個(gè)處理器了，它們的功率需求和散熱因此就變得同等重要。在實(shí)際中，數據中心經(jīng)常會(huì )留出空插槽以提供更好的冷卻，使系統保持在熱規格中。
幸運的是，最新一代的功率半導體技術(shù)能幫助工程師處理這個(gè)問(wèn)題。文章中將介紹兩種方法來(lái)降低刀鋒服務(wù)器的總功耗。這樣就減少了冷卻需求，進(jìn)而增加機架中的刀鋒服務(wù)器密度。
第一種方法是讓工程師開(kāi)發(fā)高效率的在板電源。將近80%的功率通過(guò)在板電源進(jìn)入服務(wù)器的，因此電源效率對系統效率有巨大的影響。大量的能量消耗在處理器和內存上。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)典型的高效率微處理器能消耗130A（在 1.1V條件下）或146W。今天，一個(gè)在板電源有80%的效率和20%的損耗是很正常的。
隨著(zhù)先進(jìn)的功率控制和轉換技術(shù)，比如國際整流器公司（International Rectifier）的XPhase可升級多相位結構（見(jiàn)圖2）和DirectFET MOSFET，可將系統的總效率增加至88%以上，能減少40%的系統功耗。國際整流器公司還開(kāi)發(fā)一系列的精確實(shí)時(shí)功率監控IC。該產(chǎn)品能促進(jìn)工程師設計出可降低動(dòng)態(tài)能量損失的刀鋒服務(wù)器。
圖2 國際整流器公司的多相位控制器 結論
使用上述先進(jìn)功率半導體技術(shù)的成本會(huì )低于節省出的成本。此外，這些方法還有第二個(gè)好處。例如，因為散熱少，板級的風(fēng)扇就會(huì )低速運轉，這樣可節省能量并降低噪聲。實(shí)際上，采用優(yōu)化的集成了高級功率轉換、準確的動(dòng)態(tài)功率監控和高性能功率控制器的電源管理系統最短可在三年內降低數據處理中心25%的能量損耗。
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