數據中心對電源的要求探析

　　3月9日，google在會上宣布加入由 Facebook 發起的OCP計劃，并將自己在數據中心設計的研究結果捐獻出來，所捐出的48V電源的機架設計包含48V伺服器至負載點設計、機架層48V鋰離子不斷電系統等，Google已采用此架構平穩運行數年之久。該新聞引發全球廣泛轉載。

　　數據中心的耗電量占全球耗電量的1.5%左右，而且還在攀升。對數據中心的供電優化，降低PUE將有助于減少炭排放，減緩全球溫度升高。

　　從下圖我們可以看到google數據中心PUE的提升歷程，目前已經可以做到1.1以內，而同期國內的PUE平均在2.2左右，有巨大差異。

　　從2010年開始google就開始研發48V機架式電源分配系統并在其后幾年大規模投入使用。這也為PUE的持續降低做出了貢獻。

　　48V電源分配系統在CT設備中已經廣泛使用了幾十年，而在IT設備中一直采用的是12V。根據公式P=UI和Q=I^2R，我們知道更高的電壓意味著更低的電流，更低的線路損耗。如果傳輸相同的功率，那么線路上的損耗相差為16倍。對于上千安培的母線電流來說，細微的阻抗也會導致很大的功率損耗。隨著數據中心數據吞吐量運算量的不斷提升，機架的功率持續上升。最近VR(虛擬現實技術)紅遍全球，虛擬現實技術會帶來海量的圖形計算，將會有更多的大功率GPU使用在機房中，帶來海量的數據傳輸，導致ICT設備的單機功耗增加，勢必會進一步推高數據中心對電能的需求。根據google公布的數據，采用了 48 V電源分配器的新機架設計，相比傳統的12V方案，電力的損耗降低了 30%。

　　懷格(Vicor)上海有限公司商務拓展經理陳歷忠

　　國內的BAT三大巨頭也在積極推動技術的發展，從天蝎1.0到最新發布的天蝎2.5無不體現出對效率性能的提升優化。我們在天蝎2.5版本中看到了48V的身影。在這個版本中，12V仍然作為工作母線，48V在機架中作為市電直供的電池備份系統。近期和業內資深專家交流得知，天蝎2.5只是作為一個過渡的版本，將于明年頒布的天蝎3.0版本將把48V作為母線電壓，直接為機架供電。為未來的發展預留了良好的發展空間。

　　在此，我們可以堅定地說，數據中心的電源系統將由12V轉到48V。

　　在采用48V機架配電系統后，48V電源將直接供給服務器和通訊設備主板。從48V到負載點有以下兩種方式：

　　如果通過采用48V-12V-POL的供電方式，雖然這樣可以沿用成熟的12V板載電源方案，但是經過兩級轉換，犧牲了效率，那么采用48V提升系統效率的初衷將不能實現，對長時間運營的數據中心來說，效率的提升能有效減少運營費用。采用48V直接到負載點的方式將是提升效率的關鍵所在。

　　Vicor的48V直接到低壓大電流負載點的方案已經在google的數據中心大量使用，為其30%的效率提升作出了杰出貢獻。

　　Vicor的48V架構稱為FPA，包括兩個部分構成。前端為采用深降壓拓撲結構的預穩壓模塊(PRM)，后端為采用專利正弦幅值變換器(SAC)的電壓變壓模塊(VTM)。

　　PRM輸出一個母線電壓，40V左右，VTM為理想直流變壓器，以固定變壓因子輸出一個低壓大電流的功率(61mmX23mm的面積里面可以輸出高達180A的電流)。比如，輸入端為48V，要求1.8V 100A輸出，那么可以采用24:1的VTM，此時PRM的輸出電壓將為1.8*24=43.2V。 采用不同變壓因子的VTM，調整PRM的輸出，可以非常高效地實現48V到POL的供電。上圖中的 53.5V轉1.8V 的VR13.0方案可以實現94%的峰值效率。

　　在服務器或者交換路由器中， CPU，memory,ACIS, FPGA這類低電壓大電流芯片為耗電大戶。高效地解決這些負載點是實現系統整體性能的關鍵。

　　下面的電源路徑為采用Vicor 的VR13.0V主板整體電源方案。深藍色的部分為Vicor的48V高效轉換器。

　　數據中心最新的電源架構變化必將影響電源公司的產品策略，48V直接到負載點的應用生態將日益完善，而Vicor憑借其的天獨厚的效率和密度優勢，占得了先機。