【FPGA電源技術(shù)專(zhuān)輯】智能化數字電源: 下一代數據中心的理想搭檔

近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)提供的各種服務(wù)也變得越來(lái)越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)載體的數據中心，其建設需求也在不斷增加。特別是近幾年來(lái)，我國三大運營(yíng)商和IT企業(yè)都投入了大量的資金用于數據中心的建設。目前，全國已經(jīng)形成了至少數百家大小不一的數據中心。

高密度已成為服務(wù)器設計的一個(gè)重要因素。摩爾定律已經(jīng)使人們有可能將多個(gè)高性能內核集成到一個(gè)單一的系統級芯片(SoC)。高密度的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)為應用加速和集成提供了進(jìn)一步的可能性。將FPGA芯片部署在每個(gè)邏輯板系統內，可以提供強大的計算潛能并顯著(zhù)降低系統功耗。然而，為了實(shí)現更高的集成度，更新的工藝技術(shù)促使芯片的供電核電壓進(jìn)一步降低，并提高了對其精度控制和負載瞬態(tài)響應的要求，對服務(wù)器中的配電線(xiàn)路和架構產(chǎn)生一系列影響。

其中的一個(gè)趨勢是增加電源的開(kāi)關(guān)頻率，以降低峰值電流需求，這有助于將無(wú)源元件的尺寸如電容器減少到最小，并通過(guò)一系列電路設計技術(shù)減少對開(kāi)關(guān)損耗的影響。

數據中心的供電系統龐大而復雜，它是由UPS系統、后備電池系統、監控配電系統組成第一級供電;由AC/DC電源轉換、低壓DC/DC變換、板上監控等組成第二級供電，其中第二級供電中的DC/DC是和系統的大板集成在一起的，直接給CPU/FPGA/SSD供電，所以要求其效率高、可靠、尺寸小以及具備智能調壓和監控功能。

圖1：數據中心和服務(wù)器

數據中心第二級供電的架構

數據中心的第二級供電系統一般由AC/DC電源模塊得到12V并傳輸給系統的背板，控制功能板、硬盤(pán)板通過(guò)背板取電并互通信號，具體供電架構如圖2。其中控制功能板上有CPU/FPGA以及DDR等一系列功能芯片，一般有幾百瓦的功耗。其中給core電壓供電時(shí)，由于電流比較大，一般從12V直接轉換，而其它電壓采用IBA(中間總線(xiàn)架構)從5V往下轉換。另外，在服務(wù)器上SSD應用中，Enpirion 5V產(chǎn)品因為其尺寸小，集成度高，被幾個(gè)SSD主控器廠(chǎng)家如SandForce、OCZ、Corsair、LSI等廣泛采用。此外，給板上DDR顆粒的VTT供電的EV1340QI/EV1380QI也廣受用戶(hù)青睞。

圖2：數據中心第二級供電架構

數據中心第二級供電的要求

數據中心的第二級供電要求包括以下幾點(diǎn)：

1.小尺寸——現在服務(wù)器的容量越來(lái)越大，單板上要搭載兩顆CPU、一到兩片

ASIC/FPGA/CPLD等芯片，還有大量的內層條和接口端子，留給電源芯片的空間非常緊張。尤其是母板上的嵌入式子卡板(比如FPGA PCIE接口加速卡或者PCIE接口SDD)，其單板的高度往往要求限制在5mm，普通的外置電感的電源的電感高度一般都在5～10mm，很難滿(mǎn)足。Altera Enpirion PowerSoC的高度最小僅1mm，12A的產(chǎn)品也只有3mm高度，從而讓布局非常靈活方便。據Altera Enpirion電源中國區資深技術(shù)支持專(zhuān)家凌俊杰介紹，正是得益于這些優(yōu)勢，目前Enpirion模塊在服務(wù)器行業(yè)主流廠(chǎng)家例如浪潮、曙光中均有突破。

圖3：服務(wù)器母板/FPGA PCIE加速卡/SSD板

2.智能調壓功能——給CPU/ASIC/FPGA核電壓供電需要低壓大電流，甚至達到150A以上，

需要供電系統能夠跟隨芯片工作實(shí)現靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調壓以降低功耗。Altera Enpirion EM21X0系列產(chǎn)品應運而生，其可以在18*20*5mm的體積上實(shí)現30A輸出電流，并集成了電感，并可以通過(guò)多相并聯(lián)向更大的功率擴展。EM21X0通過(guò)Altera專(zhuān)利的SmartVID總線(xiàn)和負載芯片或者上位機通訊實(shí)現對供電電壓調節，電源運行狀態(tài)上報等功能。

圖4：EM11X0框圖

3. 能源管理功能——數據通信系統一直在提高數據吞吐量和其他系統性能，同時(shí)也面臨降

低系統總體功耗的壓力。例如，通過(guò)重新安排工作流程，將程序轉移到未得到充分利用的服務(wù)器上，使得其他服務(wù)器能夠停機，以此來(lái)降低總體功耗。如果采用數字電源管理系統，這種系統可以為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)以及日常的功耗數據，方便作出明智的能源管理決策。由于服務(wù)器背板上電壓通過(guò)中間總線(xiàn)電壓轉換，并通過(guò)負載點(diǎn)POL DC/DC轉換至子電路所需的電壓和工作電流，這些不同的電壓軌對排序、電壓準確度、精度調節以及監控都有更為嚴格的要求，使得問(wèn)題更加復雜。因此，客戶(hù)需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)改進(jìn)系統，針對每個(gè)DC/DC轉換器優(yōu)化系統性能和存儲特定配置值，通過(guò)PMBus報警線(xiàn)路將故障通知主機，從而關(guān)斷問(wèn)題電路，以保護主芯片等供電器件，實(shí)現準確的微秒級響應時(shí)間保護，從總體上來(lái)簡(jiǎn)化設計工作。

總結：

Altera于2015年8月份被Intel收購， 成為Intel的PSG事業(yè)部。據Altera Enpirion中國區業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理張偉超介紹，Intel已經(jīng)明確表示后續將繼續加大對Enpirion的投資，Enpirion電源在進(jìn)一步支持好FPGA的性能提升的同時(shí)，還將繼續延伸Intel CPU的應用，更好地服務(wù)于Intel數據中心和廣泛的IOT產(chǎn)品。Enpirion的產(chǎn)品路標將進(jìn)一步滿(mǎn)足數據中心產(chǎn)品和工業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)的需求。有理由相信，在不久的將來(lái)，大家會(huì )在中國市場(chǎng)上發(fā)現更多Enpirion的應用。