服務(wù)器配電：48V有望三五年內普及

　　在不久前的2016 Google開(kāi)放計算峰會(huì )(OCS， Open Compute Summit)上，谷歌宣布了其推廣48V服務(wù)器和配電基礎設置計劃。一石激起千層浪，電源模塊廠(chǎng)商Vicor近日在上海舉行了記者見(jiàn)面會(huì )，介紹了48V配電的優(yōu)勢，及其48V直接到PoL(負載點(diǎn))電源模塊的方案及研發(fā)考慮。

　　以前服務(wù)器配電是AC到12V，然后12V進(jìn)機架;現在機架上的電源變成48V，之后48V進(jìn)機架。相比12V供電，48V配電的效率更高，而且系統架構由于省去了UPS，成本將更低。

　　我國“天蝎計劃3.0版”有望支持48V配電?，F在急需建立48V的生態(tài)系統。另?yè)icor預測，現在全世界一年的服務(wù)器銷(xiāo)量約1000萬(wàn)臺，其中48V大概占1%或者2%，但在三五年后，全世界會(huì )有30%~50%的服務(wù)器是48V，可見(jiàn)這一領(lǐng)域增長(cháng)速度很快。

　　Vicor是至今唯一量產(chǎn)48V模塊的廠(chǎng)商，效率可達95%。方法是采用獨特的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，而且在控制器IC、硅材料、封裝等方面進(jìn)行了改進(jìn)。該公司產(chǎn)品的研發(fā)計劃是每?jì)赡険p耗減少25%。

　　詳細介紹如下。

48V勢在必行

　　在數據中心和云計算里，因為以前的服務(wù)器是機柜型，功率在5k~8kW用電量，在這種個(gè)情況下使用12V的總線(xiàn)，這個(gè)標準已經(jīng)足夠。

　　但是隨著(zhù)云計算的普及，隨著(zhù)搜索、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等方面的應用激增，需要越來(lái)越多的大型計算機。所以機柜的容量(包括計算能力和功率/用電量)會(huì )越來(lái)越高，功率會(huì )從8kW到現在的12kW、15kW，甚至20kW及更高。

　　而傳統的12V已不能滿(mǎn)足需求，因12V不能應對大電流。解決辦法之一是提升電壓到48V。

　　Vicor的方案是直接從48V到CPU、GPU或者內存，“時(shí)至今日只有Vicor一家是量產(chǎn)的。而且Vicor做的效率還是全球之最高，體積也很小，比12V方案還要小，而效率還相等，這就是Vicor的長(cháng)處所在?！盫icor全球市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Philip D. Davies先生稱(chēng)，“Vicor方案的效率可達95%，未來(lái)將做到96%?！?/p>

　　中國市場(chǎng)對48V的接受度如何?Google走在最前面，在國內，廠(chǎng)家需要兩到三年才能夠跟上谷歌的步伐。據Vicor推測，中國的天蝎計劃3.0版本未來(lái)可能會(huì )引入48V。

照片：Vicor全球市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Philip D. Davies先生 　

       因為在Google公布48V計劃之前，BAT(百度，阿里巴巴，騰訊)都知道48V，但很難推動(dòng)。但在公布計劃后，國內便有了很大的興趣，很多人主動(dòng)來(lái)找到Vicor討論48V的可行性。因為他們最擔心的不是技術(shù)，而是生態(tài)系統，還有能否得到效益。其實(shí)效益是顯而易見(jiàn)的：如果用雙倍的價(jià)格做48V，他們不愿意做，但是如果用差不多的價(jià)格，或者哪怕高一點(diǎn)的價(jià)格他們也愿意改動(dòng)，因為48V對運營(yíng)成本和能耗有利。像谷歌，從12V改到48V之后，能耗減少了30%，這樣便可以節省一大半筆電費。在數據中心的硬件設備方面，可以全部去掉UPS，用48V的電池做備份即可。所以無(wú)論是設備還是用的數量上都可以減少?，F在最主要的問(wèn)題卡在主板上，首先目前的天蝎計劃里面沒(méi)有把48V放進(jìn)去，然后也沒(méi)有很多廠(chǎng)家能夠提供48V產(chǎn)品。

照片：Vicor亞太區銷(xiāo)售副總 黃若煒 先生

急需48V生態(tài)系統

　　因此，現在最大的挑戰不是技術(shù)上的問(wèn)題，主要是生態(tài)系統的問(wèn)題。

　　在生態(tài)系統方面。因為現在沒(méi)有太多廠(chǎng)家有48V的儲備，從AC到48V、從48V到CPU，48V做熱插拔、保護電路等，這些都要解決。需要很多廠(chǎng)家加入和參與。預計在未來(lái)一兩年會(huì )有很多廠(chǎng)家參與進(jìn)來(lái)。因為48V并不是一個(gè)很新的概念。在通信傳輸上面，早就是48V，只是傳輸上的方案不能立刻用在現在的48V數據中心，需要一些改動(dòng)。其他廠(chǎng)家，包括芯片廠(chǎng)家和主板廠(chǎng)家，他們也會(huì )加入48V的行業(yè)。

　　Vicor是第一家能夠做48V到CPU供電的IC廠(chǎng)家，現在有其他家廠(chǎng)家正在跟進(jìn)，未來(lái)應該會(huì )有競爭。不過(guò)，“Vicor歡迎競爭，只有生態(tài)系統做大了，整個(gè)餅就做大了?！盫icor 亞太區銷(xiāo)售副總黃若煒說(shuō)。另外，12V到48V是一個(gè)過(guò)程，不會(huì )一蹴而就。在美國需要一兩年，而在中國需要兩三年時(shí)間。

48V的低損耗優(yōu)勢突出

　　理論上，48V使熱損耗只有原來(lái)的1/16。因為當你從12V提升到48V時(shí)，電流減少了4倍，熱損耗只有原來(lái)的1/16(注：P=U?I)。因此，48V不僅沒(méi)有增加熱損耗，還減少了16倍的熱損耗。工程師們都知道，P損耗=I2?R，電阻R不變的情況下，電流減少了4倍，然后再平方，當然熱損耗就減少了16倍。

　　關(guān)于EMI，Intel發(fā)表了其主板上做的EMI的測試。如下圖，左側是傳統的多相12V母板，紅色代表雜音，可見(jiàn)上方的雜音和訊號很多，因為當給CPU供電時(shí)，有很多的切換的干擾的信號靠近CPU。如果用右圖的48V的Vicor方案，上部全是變成了綠色，可見(jiàn)Vicor的轉換是很干凈的。(注：兩圖的左側紅色部分是電感，噪音都較高，與本話(huà)題無(wú)關(guān)。)。

　　Vicor 48V方案的特點(diǎn)是：第一體積小，第二48V可以減少EMI干擾，同時(shí)干擾遠離CPU。所以在同樣的板子上，CPU可以連接更多的高速數字接口;另外由于干擾小，傳輸的效果更好。

Vicor核心技術(shù)

　　Vicor與眾不同之處在于拓撲結構：采用真正的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率可做得更高，比競爭對手高數倍;另外包括控制芯片在內的技術(shù)是Vicor自主研發(fā)，因此效率可以做得很高，最終能夠向市場(chǎng)提供小體積、高可靠性和高效率的產(chǎn)品。

　　具體地，Vicor的拓撲技術(shù)和其他公司是不一樣的，很容易實(shí)現從48到1V的轉換，還可以做到95%的效率。首先，從48V降到1V必須要達到93%的效率，否則從12V切換到48V毫無(wú)意義。因為如果你本身的效率下降，之前減少的損耗全部會(huì )在這個(gè)48V的轉移中補上，所以93%是起碼的要求。在現有的疊加的工藝里面，競爭對手要用多相和很高頻率的48V轉1V的切換和轉移，在這一方面，效率是很難做到這一高效(93%)的。

　　一句話(huà)，切換時(shí)產(chǎn)生共振才會(huì )達到較好的效果，這比較難做到。當然競爭對手也有專(zhuān)利的方法，不過(guò)他們實(shí)現起來(lái)有一定的難度。

應對成本挑戰的策略：提高性?xún)r(jià)比

　　挑戰不在于技術(shù)，最關(guān)鍵的在于成本降下來(lái)，即性?xún)r(jià)比提升?！癡icor不是把價(jià)格降低，而是在同樣的密度價(jià)值增加，就是同樣的價(jià)格，你可以拿到兩到四倍的產(chǎn)品價(jià)值?！?/p>

　　對于Vicor的48V器件/模塊，最多增加10美元、20元，因此主板價(jià)格會(huì )偏高。但如果算上用電池代替UPS，以及節省電費，整個(gè)的系統架構會(huì )帶來(lái)成本下降。

散熱和封裝的創(chuàng )新

　　Vicor的CEO——Patrizio Vinciarelli是封裝方面的專(zhuān)家，對封裝有很多好的創(chuàng )意。例如現在大部分業(yè)界仍然在用單面散熱，但Vicor已經(jīng)開(kāi)始采用雙面甚至四面散熱，例如VIA封裝，能夠讓熱從每一個(gè)點(diǎn)都可以散出來(lái)。只有解決散熱問(wèn)題解決后，才能讓產(chǎn)品做得更小。

未來(lái)研發(fā)計劃

　　Vicor的48V產(chǎn)品的下一步發(fā)展計劃是什么?從Vicor推出48V到1V的產(chǎn)品以后，Vicor每?jì)赡甓家旬a(chǎn)品的損耗減少25%。進(jìn)步主要有三個(gè)方面：1.控制器IC是創(chuàng )新的設計，讓其效率更高，2.MOSFET選用更好的材料，用來(lái)提升效率，在上面的磁芯材料上做了很多的創(chuàng )新，用來(lái)提升效率;3.未來(lái)Vicor會(huì )采用GaN材料等更多的新材料去提升效率。

　　但短期不會(huì )采用GaN，因為傳統的Si產(chǎn)品越來(lái)越好。因為現在，無(wú)論是功率密度的水準還是過(guò)熱等現有問(wèn)題都可以通過(guò)提升電壓來(lái)解決，提升了電壓你便可以把電流減少，這樣你的系統中的損耗也可以相應地減少很多，你的銅線(xiàn)也可以用較細的，總之很多問(wèn)題都可以用提升電壓來(lái)解決。

　　你也可以看到，無(wú)論是數據中心還是汽車(chē)上，以后都有可能把電壓提升到48V，但現在很多仍是12V。

　　Vicor能夠看到的趨勢是五六年之后，數據中心的電壓有可能不只是48V甚至更高壓。Vicor技術(shù)的特點(diǎn)在于非常適合從高壓到低壓的轉換，例如48V到1V的轉換，而且Vicor能做到高功率密度和小體積。