优化数据中心运营功率密度的方法

优化数据中心运营功率密度的方法

随着全球数据量的爆炸性增长，数据中心的功率密度问题日益凸显。从48V直流电源到硬件加速器，从GaN器件到电源模块优化，各种创新技术正在推动数据中心向更高功率密度迈进。本文将为您详细介绍数据中心功率密度优化的最新进展和未来趋势。

数据中心承载着全球互联网24/7全天候运行的重任。据统计，当前数据中心存储的数据量已达到约44泽字节（ZB），这些数据来自全球8到300亿台连接设备。预测专家预计，这一数据量将在明年增长10%。因此，电源设计经济学正在经历重大变革。

现代CPU带来的挑战

数据中心中的现代中央处理器（CPU）非常耗电，这使得在功率和空间之间取得平衡变得极具挑战性。相应地，数据中心的功率密度也在急剧上升。在新千年的第一个十年，数据中心的功率密度大约在4到5kW/机架的范围内。如今，这一数字已经提升至8到10kW/机架，并且正朝着20kW/机架的方向发展。这种功率密度的提升也带来了更多的热量和额外的冷却成本。

数据中心的直流电源架构

48V直流电源的革命

2016年，Google发布了48V直流数据中心机架，这一创新相比之前的12V系统减少了30%以上的能量损失，同时也减少了全球云电力足迹。48V电源系统支持更高的功率，具有更低的配电损耗和更低的压降（减少16倍I²R损耗）、更高的效率和48V的安全电压。此外，它还具有经济高效的机架内不间断电源系统（UPS）以及现有的48V电信生态系统。

典型的48V机架电源架构

硬件加速器的作用

硬件加速器是数据中心的一个独特方面，它有助于实现人工智能，包括机器学习（ML）、大脑模拟和神经引擎等特殊功能。硬件加速器利用先进的处理器，例如现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、片上系统（SoC）和图形处理单元（GPU）。带有集成MOSFET的负载点（PoL）DC-DC转换器用于为数据中心硬件加速器供电，这些转换器在5V或12V输入总线上运行最佳，提供高效率和良好的热性能。

PoL DC-DC转换器的另一个出色特性是自适应电压缩放（AVS），它可以修改处理器的电源电压。在硬件加速器应用中，处理器可以指示DC-DC转换器增加或降低其电源电压以实现最佳性能。当电源电压降低时，也会降低处理器功耗。

提高功率密度的创新技术

高度集成的降压或降压转换器可以有效地为数字负载（如FPGA和处理器）供电，从而提高功率密度。通过限制引脚排列，设计人员能够节省超出IC占位面积的空间。这些转换器还主动减少了外部组件数量。设计人员应为不同选项（如电源正常引脚或可调软启动引脚）选择具有器件到器件变体的转换器系列，这将有助于优化尺寸的设计解决方案并提高功率密度。

越来越多的数据中心设计使用耗电的CPU和FPGA，它们必须适合特定的机架单元外形尺寸，而不会扩展电路板尺寸。电源模块将优化电源布局，以适应负载点附近的小区域，负载点通常是高功率处理器。与具有外部MOSFET设计的类似转换器或控制器相比，凸起电感器和嵌入式组件等技术将使电源模块占用更小的xy板面积。

降压控制器是数据中心中潜在的不错选择，因为它们的性价比非常好。这些控制器的成本通常比转换器和电源模块低得多，尤其是当它们以更高的电流运行以驱动耗电的处理器负载时。即使包括外部MOSFET的成本，总解决方案成本也可能低于转换器或电源模块解决方案。

数据中心功率密度的新规范

传统的用单个瓦特/平方英尺（或瓦特/平方米）来指定数据中心功率密度的方法已经过时，需要改进。业界正在采用一种新的空间要求和功率密度规范方法，具有以下四个关键特性：

1. 在密度规范中，物理空间单位是IT机柜，而不是地板面积。
2. 该规范是分层和模块化的，因此不同的房间和区域可以有不同的密度要求。
3. 该规范包含数据中心内的信息技术（IT）机柜具有不同的电源要求，并且这些要求可能事先没有明确定义。
4. 该规范包含IT设备机柜可能具有随时间变化的电源要求。

典型的数据中心困境：占地面积与功率密度

GaN技术的突破

氮化镓（GaN）器件在数据中心功率密度提升方面展现出巨大潜力。与硅器件相比，GaN器件可以将功率损耗几乎减半。基于硅MOSFET的数据中心电源正在被基于GaN晶体管的设计所取代，这将更容易实现更高的运行效率。渐进式地，基于GaN的电源可以在相同尺寸下提供2倍的功率，或者在一半尺寸下提供相同的功率。

GaN器件有望极大地提高数据中心的能效。用GaN代替硅作为功率转换芯片中的半导体材料还可以实现更小的设备，从而提供更快的开关。主板上的GaN电源转换器所承诺的彻底的能效改进将带来更多的计算能力，以适应单个数据中心机柜。毫无疑问，这将使GaN技术对数据中心行业内的许多人具有吸引力。

总结

每个数据中心机架消耗的电量继续攀升。2016年建立的48V直流机架是朝着提高数据中心功率密度迈出的一大步。DC-DC转换器在硬件加速器和高速处理器方面显着提高了数据中心效率和功率密度。与现有的硅MOSFET解决方案相比，GaN电源开关可能是数据中心最重要的救星。设计人员开始看到GaN对DC-DC转换器的价值，可以为数据中心提供高效的电源。关注低压电源在信息处理中至关重要。

通过本文中提到的设计工作，数据中心的未来看起来更加光明。随着电源工程师努力追求更高的功率密度数字，将开发更多新的和创新的电源设计架构。

数据中心内安装的众多高密度服务器之一