云計算中實(shí)現最佳電源系統設計

作為一個(gè)家喻戶(hù)曉的術(shù)語(yǔ)，云計算在技術(shù)市場(chǎng)領(lǐng)域的重要性和吸引力越來(lái)越大。簡(jiǎn)單地說(shuō)，云是指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供的任何服務(wù)。云計算背后的概念是創(chuàng )建一個(gè)無(wú)處不在的基礎設施，以實(shí)現對數據和信息的快速、可擴展的訪(fǎng)問(wèn)。雖然大多數人把云定義和解釋為一個(gè)大型公共網(wǎng)絡(luò )，但也有以提供有限訪(fǎng)問(wèn)和需授權的安全專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的私有云服務(wù)。大多數消費者通過(guò)前端訪(fǎng)問(wèn)與云進(jìn)行交互，云的前端包括軟件、應用程序、圖形用戶(hù)接口(GUI)和存儲。為了支持大量可選的前端用戶(hù)接口，云需要一個(gè)重要的后端基礎設施，包括電源、服務(wù)器、數據存儲和計算機。隨著(zhù)前端云服務(wù)需求的不斷增加，后端系統也必須是可升級的和可擴展的。

全球數據中心市場(chǎng)預計將以6.4% 的年復合增長(cháng)率(CAGR) 從2020 年的191 億美元增長(cháng)到2025 年的261億美元。隨著(zhù)云計算需求的持續增長(cháng)，對處理能力的要求也隨之增加。據統計，2018 年全球數據中心耗電量為205 兆瓦時(shí)。如此龐大的電力需求，使能效和可靠性成為優(yōu)先考慮的因素。

1   云電源轉換

大多數數據中心的機架由額定電壓為220 V 的不間斷電源（UPS）供電，每個(gè)機架的額定功率接近100 kW?？紤]到大多數處理器核的額定電壓低于2 V，高電壓需要進(jìn)行轉換和分配。此外，額定功率越高，表明需要以最高能效重新路由大量的電流，以最小化功耗和熱量。大多數服務(wù)器機架有一個(gè)48 V 的背板電源。這是機架中每臺服務(wù)器的主要電源，也被稱(chēng)為服務(wù)器刀片。48 V在過(guò)去一直是電信和網(wǎng)絡(luò )基礎設施的標準電源。選擇48 V 的原因是，人們通常認為它是對人體無(wú)害的最高電壓。通常，要求電壓水平超過(guò)48 V 的設備必須是雙重絕緣的，并有其他更多嚴格的安全要求。

圖1 交流電源到服務(wù)器背板框圖

2   48 V對比12 V

已經(jīng)有很多圍繞48 V 服務(wù)器電源的討論和實(shí)驗。過(guò)去大多數計算機和服務(wù)器平臺的內部電源都是12 V。這通常是傳統的要求，源于舊的硅技術(shù)以及非易失性存儲的硬盤(pán)驅動(dòng)器、冷卻風(fēng)扇和計算平臺的其他組件。CPU 功耗隨著(zhù)每一代處理器的升級急劇增加，高電流水平已開(kāi)始產(chǎn)生顯著(zhù)的導通損耗和低能效。功率損失也會(huì )產(chǎn)生熱量，這是高密度計算的大敵，因其導致設備使用壽命縮短并產(chǎn)生系統漏洞。應對這種損耗的一種方法是將48 V 機架電源引入服務(wù)器本身，并引入負載點(diǎn)（POL）電源轉換器。

導通損耗= ( 負載電流² 的平方)×( 導通路徑電阻)   （1）

從公式（1）發(fā)現，48 V 電源可用四分之一的電流向負載提供相同的功率，從而將導通路徑上的功耗減少16 倍。這對系統能效的顯著(zhù)提升帶來(lái)了一些挑戰。12 V 電源方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)多代優(yōu)化，能效極高。更高電壓的電源需要更大的降壓以達到CPU 核心電壓，這可能導致電源轉換級能效較低。此外，還需要更高電壓的硅技術(shù)，而且對于MOSFET（金屬- 氧化物場(chǎng)效應晶體）架構來(lái)說(shuō)，每單位面積的電阻往往更高，這也會(huì )增加系統成本。這些系統挑戰導致了試驗性地實(shí)施創(chuàng )新和先進(jìn)的架構。最有前景的新電源轉換技術(shù)之一是開(kāi)關(guān)槽路電容器（STC）轉換器，如圖2。這些轉換器能效極高，在某些情況下電路面積更小。根據設計人員和整體系統結構的不同，單級和多級轉換方案都已被證實(shí)是成功的。具體的中間電壓將因硅供應商而異，通常根據他們的特定技術(shù)來(lái)選擇。圖3 所展示的最高效的整體方案是48 V-12 V-1 V，為CPU 核供電。這種方法利用了兩種成熟的方案，并調節了凈壓降，最大化系統總能效。

圖2 開(kāi)關(guān)槽路電容器（STC）轉換器有單級和多級設計之分

圖3 48 V至1 V兩級轉換器為CPU核心供電

3   內核CPU電源

大電流DC-DC 電源轉換器通常采用多相拓撲。每相通常包括兩個(gè)采用上下半橋配置的MOSFET 和一個(gè)電感，以形成一個(gè)單一的降壓轉換器。這架構通常被稱(chēng)為功率級。多相協(xié)同工作，由一個(gè)智能電源管理集成電路（PMIC）控制。每個(gè)相位的開(kāi)關(guān)必須交錯開(kāi)來(lái)，并仔細控制，以?xún)?yōu)化負載調節、紋波、瞬態(tài)響應和包括輻射和導通的噪聲產(chǎn)生。功率級的數量和其中每一級的電流都是為特定一代的CPU 精心調校的。市場(chǎng)已觀(guān)察到所需的相位數正在迅速增加，且每個(gè)功率級的電流密度也越來(lái)越高。最先進(jìn)的多相轉換器采用多達16 個(gè)相位，總輸送功率動(dòng)輒超過(guò)1 000 W，如圖4 所示。

圖4 采用16相位提供1 VCPU電源的轉換器設計

4   智能功率級

先進(jìn)CPU 需要極高功率密度的一個(gè)副產(chǎn)品是要求極嚴格的負載調節。先進(jìn)的深次微米硅技術(shù)不能容忍電源和信號節點(diǎn)上的電壓偏移。這就需要確保為CPU 供電的多相PMIC 密切監測每相的電壓、電流和溫度。所有這些信息都由智能功率級收集和管理，包括故障管理。由于輸送到CPU 的電流非常大，一個(gè)管理不善的故障狀況可能會(huì )迅速破壞處理器，導致更換一個(gè)或多個(gè)非常昂貴的部件。最先進(jìn)的智能功率級考慮了負載電感和相關(guān)的瞬態(tài)尖峰以及其他系統寄生物，以最大化整個(gè)系統的可靠性。它們也是提高整個(gè)系統能效的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖5 強調智能功能需求的不同功率電路之效率比較

5   總結

隨著(zhù)消費者期望越來(lái)越多的數據觸手可及，云市場(chǎng)領(lǐng)域將繼續發(fā)展和擴大。為了滿(mǎn)足這些需求，支持云基礎設施的技術(shù)領(lǐng)域必須持續創(chuàng )新并預測市場(chǎng)需求。整個(gè)云端電源樹(shù)，包括多相控制器、智能功率級和POL，都必須精心設計和制造，才能實(shí)現優(yōu)化能效和可靠性的整體設計，以支持這基礎設施。安森美為整個(gè)電源樹(shù)提供領(lǐng)先行業(yè)的方案，用于從48 V 到1 V 的每個(gè)節點(diǎn)。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）