快速增長(cháng)的數字宇宙中的服務(wù)器電源

　　48等于新的12

　　到2020年末，數字宇宙——一年內創(chuàng )建、復制和消耗的所有數字數據的度量單位——將達到40澤字節(ZB，40×1024字節)，這相當于在2010年基礎上增長(cháng)了50倍[1]。據思科系統公司(CiscoSystems)預測，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過(guò)1澤字節大關(guān)[2]。這些趨勢代表了推動(dòng)中型和大型服務(wù)器應用規模的數據環(huán)境變化的兩個(gè)指標。

　　越來(lái)越多的訪(fǎng)問(wèn)，更加密集的內容，不斷擴大的資源

　　消費者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數據傳輸空前的增長(cháng)。思科預測，2012年至2017年間消費者IP流量的年復合增長(cháng)率(CAGR)為23%，主要由北美和亞太地區的用戶(hù)貢獻(見(jiàn)圖1)。但是，全球所有地區新用戶(hù)的增長(cháng)速度均低于5%(見(jiàn)表1)。

　　北美–23%CAGR

　　亞太-26%CAGR

　　西歐-17%CAGR

　　中東歐-24%CAGR

　　南美–17%CAGR

　　中東及非洲–42%CAGR

　　年

　　圖1：預計全球年度消費者IP流量年均復合增長(cháng)率將增長(cháng)23%，遠高于將支持的新用戶(hù)增長(cháng)速度。

　　數據來(lái)源：思科系統公司。

　　有三個(gè)關(guān)鍵因素導致了遠遠超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)增長(cháng)速度的快速流量增長(cháng)。典型手機用戶(hù)平均每天約144次查看他們的設備，產(chǎn)生了IP流量時(shí)間的46%[3]。由于公共熱點(diǎn)提供的基本接入無(wú)處不在，便攜式設備為用戶(hù)提供了在辦公和家庭范圍之外全天候獲取信息、通信和娛樂(lè )服務(wù)的方便。自2009年以來(lái)，一個(gè)正在加速的趨勢是，便攜式設備占整體流量的比例越來(lái)越大，以其目前的軌跡，到2015年中期將達到30%(見(jiàn)表2)。

　　日期移動(dòng)流量占全球流量百分比

　　內容也已經(jīng)從主要基于文本轉向主要基于媒體。一張圖片的大小值可能是1000個(gè)字，而一個(gè)圖像可能很容易地占用五十萬(wàn)字個(gè)字以上的數據空間。視頻是不斷增長(cháng)的數據組合的一部分。僅YouTube上傳的視頻就已經(jīng)從2009年的每分鐘20小時(shí)增加到2013年的每分鐘100小時(shí)。

　　內容提供商已經(jīng)通過(guò)各種任何東西點(diǎn)播(anything-on-demand，XOD)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站在線(xiàn)提供了完整的電視劇和全長(cháng)影片。大部分生產(chǎn)設施都已轉換到高清(HD)視頻格式，這需要標清(SD)視頻四到五倍的帶寬。到2015年，視頻剪輯和流媒體電視節目的流量預計將超過(guò)網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

　　現在，連網(wǎng)的設備比地球上的人還要多，設備的增長(cháng)速度超過(guò)了人口的增長(cháng)。思科預計，到2017年機器對機器(M2M)應用中將有60億部設備貢獻IP流量。

　　增長(cháng)的服務(wù)器密度

　　為了支持這一史無(wú)前例的流量增長(cháng)，預計全球平均固定寬帶速度將從2012年的11Mbps提高到2017年的39Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎設施項目可能會(huì )實(shí)現光纖到戶(hù)(FTTP)，提供高達1Gbps的服務(wù)。

　　作為響應措施，服務(wù)器都采用了多核處理器，并增加了每個(gè)板的處理器數量。整體機架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機架7臺服務(wù)器達到2010年的每機架20臺服務(wù)器。機架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機架達到2007年的10kW/機架，今天許多新安裝的設備超過(guò)了20kW/機架。

　　對于新設備和那些正在升級的服務(wù)器，這些趨勢已經(jīng)很難繼續用使用單相AC-DC轉換器的12V電壓在機架級分配電能。

　　12V配電的挑戰

　　基于12V配電的典型服務(wù)器機架使用一個(gè)電力輸送單元(PDU)，包括EMI電源濾波器和一個(gè)有480V三相輸入和277V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機架的AC-DC轉換器供電。要為一個(gè)10kW機架供電，俗稱(chēng)銀盒的AC/DC轉換器必須為其IT負載組合提供超過(guò)800A功率。原理圖示例如圖2所示。

　　圖2：有單相AC配電和12V服務(wù)器主板的高密度計算機架示意圖。

　　這些銀盒獨立工作，無(wú)需同步，導致其輸入電流波形出現了更豐富的諧波含量。轉換器的功率因數校正(PFC)電路可正確輸入相對于輸入電壓波形的電流波形，但隨著(zhù)銀盒制造商在努力提高功率轉換效率，AC線(xiàn)路上的諧波含量也在不斷增加[5]。

　　例如，那些符合80-PlusGold認證的銀盒可提供92%的峰值效率，產(chǎn)生其輸入電流波形約5%的總諧波失真(THD)(相對于基波頻率)。符合80-PlusTitanium認證的AC/DC轉換器可提供96%的峰值效率，產(chǎn)生約12%的總諧波失真。

　　此外，銀盒是異步操作，因此所產(chǎn)生的諧波電流與上游AC線(xiàn)相互作用，且通常在PDU或不間斷電源(UPS)中的三相變壓器內組合，從而產(chǎn)生更寬的中、低頻諧波(幾Hz到幾kHz)。

　　最近的研究[5，6]表明，當一個(gè)線(xiàn)路變壓器的電流波形的總諧波失真超過(guò)5%時(shí)，每增加2%的總諧波失真可產(chǎn)生額外1%的總功率損耗，通常發(fā)生在PDU(或UPS，或兩者)中。對于一個(gè)為80-PlusTitaniumAC-DC轉換器供電的10kW系統，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當于PDU耗散了350W。系統設計人員必須估計PDU的大小，以適應額外損耗，從而增加了機架的安裝成本，并影響整個(gè)系統的可靠性。

　　最終，隨著(zhù)機架功率的持續增加，12V配電開(kāi)始出現更基本的問(wèn)題。由于個(gè)別主板增加了內核、內存和I/O，細分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實(shí)際和經(jīng)濟規模的母線(xiàn)和電源輸入連接器的電流最大值會(huì )對整體機架密度產(chǎn)生負面的影響。在20kW/機柜中，12V電源架必須提供凈1.7kA，而機架供電要求并沒(méi)有停滯不前。

　　48等于新的12

　　48V配電設計在一些重要方面不同于超過(guò)配電方案操作潛力的12V系統。最值得注意的是，48V配電系統可以用一個(gè)400V/480V三相整流器來(lái)替代PDU變壓器和銀盒(原理圖示例如圖3所示)。一個(gè)現代整流器可產(chǎn)生約3%的總諧波失真，且很少超過(guò)5%，即使是在輕負載條件下。整流器數目的減少(由于較高的單位功率)和線(xiàn)路電流所消耗的本來(lái)就較低的諧波含量，導致系統級電流波形諧波要低得多。

　　整流器

　　48V電池

　　54V服務(wù)器，700W

　　整流器

　　圖3：有54VDC配電和集成短期備份的高密度計算機架示意圖。

　　服務(wù)器運營(yíng)商可以充分利用現有400V/480V三相AC至48VDC設備的規模經(jīng)濟，這些設備已在電信和其他48V應用中廣泛使用。一個(gè)典型10kW單元僅需2U(89mm)的機架高度，即可提供≥97%的轉換效率和<5%的總諧波失真。相比之下，400V/480V三相到12V整流器是不實(shí)用的，因為它有非常高的電流輸出。

　　導通損耗和導線(xiàn)尺寸的實(shí)際限制限制了電力可以經(jīng)濟地傳輸(基于12V機架的系統)達到約5kW的距離。使用相同輸電基礎架構的48V配電可以提供20kW——足以從一個(gè)三相整流器為整個(gè)服務(wù)器機架供電。

　　消除了機架中單相AC的DC配電戰略還簡(jiǎn)化了電池備份的實(shí)現：電池組不需要通過(guò)一臺UPS逆變器來(lái)升頻轉換(upconvert)，進(jìn)而驅動(dòng)AC-DC轉換器。相反，48V備用電池可以通過(guò)一個(gè)管理轉換、電池充電、電池監測和狀態(tài)報告的最小控制界面來(lái)驅動(dòng)IT負載。

　　日益轉向48V配電要求系統設計人員重新思考自己的板電源(board-power)策略。有幾個(gè)可以考慮的選項，不過(guò)也有一些比12V設計使用的選項更簡(jiǎn)單和尺寸更小。一個(gè)例子是Vicor的符合48V英特爾VR12.5標準的參考設計，它可以消除一個(gè)中間轉換級。Vicor的方法避免了多相位轉換拓撲結構，從而減少了元件數量，并有助于在流行的36-60V電信電壓范圍實(shí)現直接連接電源(包括備份)。元件數量的減少和更小的儲能要求允許設計人員讓電源傳送電路(powertrain)更靠近處理器，進(jìn)而降低與PCB走線(xiàn)長(cháng)度大致成正比的損耗和寄生電感。

　　對于處理器和內存之外的板上負載，單級降壓預計將實(shí)現整個(gè)服務(wù)器板的48V配電。隨著(zhù)越來(lái)越高的功率密度需求，散熱設計成為了一個(gè)日益受到關(guān)注的問(wèn)題。封裝技術(shù)，如Vicor的轉換器級封裝(ConverterhousedinPackage，ChiP)平臺兼容了雙面冷卻，可以簡(jiǎn)化熱-機械設計。

　　總體而言，48V配電設計比12V方案使用材料的更少。其機架級材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48V英特爾VR12.5標準的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應是更高的可靠性、更好的可擴展性和更高的功率密度。

　　今天，服務(wù)器群的電力需求從早年的1kW/機架增加到了20kW。數據流量趨勢正在加速，預計在不久的將來(lái)需求將達到30kW/機架。

　　在一段距離上的電流幅值和功率傳遞的實(shí)際限制迫使人們安裝高密度服務(wù)器，從12V配電轉向48V設計。這種轉變帶來(lái)的是12V系統無(wú)法提供的好處。

　　當板上轉換器直接以48V運行時(shí)，48V電源特別具有吸引力。這些拓撲結構可以減少元件數量、能量?jì)Υ婧蛽p耗，同時(shí)提高可靠性。諸如ChiP的新的封裝技術(shù)允許雙面冷卻并簡(jiǎn)化散熱設計。

　　48VDC配電提供了一個(gè)可以隨預見(jiàn)的服務(wù)器部署規模提升的高功率密度。

　　Vicor

　　參考文獻：

　　1.DigitalUniverseStudy,IDC,SponsoredbyEMC,December2012.

　　2.CiscoVisualNetworkingIndex：ForecastandMethodology,2012-2017,CiscoSystems,May2013.

　　3.Meeker,MaryandLiangWu,InternetTrendsD11Conference(presentation),KPCB,May29,2013.

　　4.Surgeinvideowilldriveglobaldatatraffictomorethan60,000Petabytesin2016,

　　ABIresearch,May10,2011.

　　5.DataCenterpowersystemharmonics：anoverviewofeffectsondatacenterefficiencyandreliability,TheGreenGrid,2013.

　　6.ThecostofHarmonicLossesandmitigationsindistributionsystems,

　　18thInternationalConferenceon

　　ElectricityDistribution,6-9June2005.