提升“云”端電源效率

摘要：數據中心雖然擁有優(yōu)秀的計算能力，但是同時(shí)，其耗電量也很驚人。提升云端的電源效率已經(jīng)成為當下面臨的一個(gè)挑戰。本文介紹了數據中心的發(fā)展現狀以及提升其電源系統能力、降低能耗的幾種方式。

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機顯著(zhù)地改變了我們在工作和生活中使用和交流信息的方式。而存儲服務(wù)器，即通常所稱(chēng)的“云”，日益成為大多數主流應用的部署平臺。它們利用互聯(lián)網(wǎng)和極其強大的資源來(lái)整合和處理分布廣泛的數據，并快速響應用戶(hù)的請求。這向客戶(hù)提供了實(shí)時(shí)在線(xiàn)和始終在線(xiàn)(always-on)的響應、無(wú)所不在地接入和顯著(zhù)降低資本投資的承諾。云服務(wù)器是我們日?；顒?dòng)不可缺少的一部分，無(wú)論是消費類(lèi)網(wǎng)站、視頻流應用、作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎的工業(yè)機對機(M2M)活動(dòng)，還是諸如SAP等企業(yè)解決方案都離不開(kāi)這些服務(wù)器的支持。

云的成長(cháng)

　　每當我們進(jìn)行在線(xiàn)搜索、觀(guān)看視頻，或在Facebook、微博、微信上發(fā)布視頻和照片時(shí)，相關(guān)公司管理的數據中心要執行數十億次運算并消耗數百萬(wàn)瓦電力。而受到移動(dòng)計算的日益普及等因素的推動(dòng)，服務(wù)器容量更以非同尋常的速度增加。據估計，云計算市場(chǎng)規模已從2006年的基本為0增至2014年的580億美元;據市場(chǎng)調研機構Forrester Research預測，公共云(不包括專(zhuān)屬(captive)數據中心)的規模將在2020年達到1910億美元。

　　云計算營(yíng)收增長(cháng)的原因包括由于技術(shù)成熟和競爭加劇所導致的價(jià)格下降。更令人驚訝的是云的原始計算能力的增長(cháng)。據估計，領(lǐng)先云服務(wù)提供商AWS已在全球部署了超過(guò)280萬(wàn)臺服務(wù)器。在架構上，服務(wù)器也取得了顯著(zhù)的進(jìn)化，轉向超大規模和多線(xiàn)程結構;處理器內核的原始吞吐量也得到顯著(zhù)提升。更多設計技術(shù)，例如能夠動(dòng)態(tài)地改變時(shí)鐘速度和供電電壓，以及改變同時(shí)運行的內核數目，都有助于更好地對計算負載需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應。不過(guò)這也顯著(zhù)增加了電源功率輸出要求的復雜性。

不斷增加的耗電量

　　由于服務(wù)器數量的迅猛增加，其能耗也隨之大幅上升。要取得準確的耗電量信息并不容易，但我們知道，一個(gè)功率消耗3MW的典型數據中心可容納超過(guò)8,000臺服務(wù)器。谷歌公司在2011年估計，單單其數據中心就需要連續消耗約260MW的電力，相當于一座最先進(jìn)核能發(fā)電廠(chǎng)輸出電力的25%。為了緩解電力傳輸挑戰，全世界的絕大多數數據中心都選址于鄰近大型發(fā)電廠(chǎng)，如哥倫比亞河水力發(fā)電系統等。根據全球2010年的統計數字，數據中心耗電量為全球耗電量的1%～1.5%，相當于巴西的全年總耗電量。在美國，數據中心耗電量接近全國總耗電量的2%，相當于新澤西州的總耗電量。也就是說(shuō)，到2010年底，數據中心給美國電網(wǎng)增加了整整一個(gè)新澤西州的耗電量，而且其耗電量還在增加。

　　這種大規模的耗電量的增加具有重大的經(jīng)濟影響。雖然處理器核心可以提供更大的處理能力，遵循摩爾定律并進(jìn)行架構改進(jìn)，但其工作電壓并沒(méi)能快速跟上，以降低總耗電量。數據中心主要有兩種用電方式：一是提供計算機所需的電能，二是對其進(jìn)行充分冷卻，使系統保持在正常工作溫度范圍之內。因此，輸電效率的小幅提升也對改善效益具有顯著(zhù)影響。除了減少電費，高效的電力輸送還可在既定預算下增加數據中心容量——鑒于裝機容量保持著(zhù)每年兩位數的快速增長(cháng)，所以這是一個(gè)非常重要的考慮事項。

電源分配

　　最先進(jìn)的數據中心電源分配由一系列步降電壓和緊隨其后的負載點(diǎn)電力輸送組成，原始效率是最大的挑戰，但電源系統還能通過(guò)幾種方式提升能力，以幫助降低能耗。

　　多相工作：最新一代基礎設施電源轉換器支持多相工作方式，并將從輕負載到峰值負載的電力輸送保持在接近峰值效率的水平。它們通過(guò)并聯(lián)多個(gè)輸電相來(lái)達到接近峰值效率，由控制器根據耗電量來(lái)調節這些相位。圖1顯示了一種典型的多相系統，其中穩壓器負責調節每個(gè)電感，以提供可變電流值。多相工作可彌補單相轉換器的一個(gè)重要缺點(diǎn)，即效率在額定負載下達到峰值，但在極高負載時(shí)下降。圖2顯示了多相系統如何根據負載來(lái)智能地選擇相數。在很大工作負載范圍內使效率曲線(xiàn)平坦化，可免除數據中心規劃員在對典型負載和最大負載進(jìn)行優(yōu)化之間進(jìn)行選擇。

　　并聯(lián)電源通道：將處理器核心分成多個(gè)“電源孤島(power island)”，可使系統的不同構成部分能夠在其不使用時(shí)斷電。電力輸送系統現在能滿(mǎn)足提供多個(gè)同步電源軌的需要。

　　通信：目前的處理器核心通過(guò)數字總線(xiàn)(通常為PMBus)將預期的耗電量傳達給電源轉換器。負載變化可能是增加的額外處理器核心的函數、處理器時(shí)鐘速度的變化或對軟件正在處理特別密集的指令序列的認知。借助對預期負載的洞察，控制器能夠使電源效率在負載范圍內保持最大化。管理能耗持續時(shí)間及水平的能力為服務(wù)提供商帶來(lái)了另一大優(yōu)勢：它們能夠使用系統活動(dòng)的持續時(shí)間和強度來(lái)計算每個(gè)處理任務(wù)的賬單。

下一步是什么?

　　在不久的將來(lái)，多相控制器將提供全數字控制回路，并集成時(shí)序控制、遙測和先進(jìn)的故障處理功能。它們還將提供眾多處理器接口選項，并支持帶有集成驅動(dòng)器和同步FET的智能功率級。電源設計師將能使用軟件GUI(如Intersil的PowerNavigator)快速配置、確認和監測其電源的所有轉換及工作參數。PowerNavigator還能只需點(diǎn)擊幾下鼠標就能改變任何參數、遙測或電源軌時(shí)序控制。隨著(zhù)集成了時(shí)序控制和其他新特性的數字多相控制器的上市，使用多個(gè)電源的系統將能以正確的順序啟動(dòng)電壓軌。系統電源可進(jìn)行預分配，電壓轉換器能為負載提供合適的電力供應，并滿(mǎn)足效率要求。這些都是在下一代數據中心“云”系統中實(shí)現數字控制的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。

結論

　　“云”計算具有綠色環(huán)保的特性。雖然消耗大量能源，但計算任務(wù)在云端的高效整合(采用一些迄今最強大的計算系統)仍有望降低跨系統執行計算任務(wù)所需的總能耗。數據中心不斷提高的電力需求也為半導體制造商提供了創(chuàng )新和突破的重要機遇。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。