快速增長的數字宇宙中的服務器電源

　　摘要：今天，服務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，預計在不久的將來需求將達到30kW/機架。48V DC配電提供了一個可以隨著服務器部署規模提升的高功率密度。

　　1 增長的服務器密度

　　到2020年末，數字宇宙(一年內創建、復制和消耗的所有數字數據的度量單位)將達到40澤字節(40×10²¹)，這相當于在2010年基礎上增長了50倍^[1]。

　　為了支持這一空前的流量增長。服務器都采用了多核處理器，并增加了每個板的處理器數量。整體機架密度也已經提高，從1996年的每機架7臺服務器達到2010年的每機架20臺服務器。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了20kW/機架。

　　對于新設備和那些正在升級的服務器，這些趨勢已經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。

　　2 12V配電的挑戰

　　基于12V配電的典型服務器機架使用一個電力輸送單元(PDU)，包括EMI電源濾波器和一個有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10kW機架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉換器必須為其IT負載組合提供超過800A功率。原理圖示例如圖1所示。

　　這些銀盒獨立工作，無需同步，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，但隨著銀盒制造商在努力提高功率轉換效率，AC線路上的諧波含量也在不斷增加^[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold認證的銀盒可提供92%的峰值效率，產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-Plus Titanium認證的AC/DC轉換器可提供96%的峰值效率，產生約12%的總諧波失真。

　　此外，銀盒是異步操作，因此所產生的諧波電流與上游AC線相互作用，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，當一個線路變壓器的電流波形的總諧波失真超過5%時，每增加2%的總諧波失真可產生額外1%的總功率損耗，通常發生在PDU(或UPS，或兩者)中。對于一個為80-Plus Titanium AC-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，并影響整個系統的可靠性。

　　最終，隨著機架功率的持續增加，12V配電開始出現更基本的問題。由于個別主板增加了內核、內存和I/O，細分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實際和經濟規模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會對整體機架密度產生負面的影響。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有停滯不前。