利用新型高效电源架构应对数据中心的能耗挑战 - 文章

利用新型高效电源架构应对数据中心的能耗挑战

作者：Maury Wright

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尽管汽车和重工业总被认为是能源消耗的大户，但实际上，看似洁净的IT数据中心也隐藏着巨大的能耗问题。IT数据中心需要消耗大量的能量来为25,000到35,000个家庭提供服务，这引起了财务部门的警觉，也因此触怒全球各地的环保分子。

问题的关键在于电力传输效率低下，尤其体现在功率转换、内存泄露、冷却以及配电损耗等。针对这些问题，世界顶尖的工程师们仔细研究了从配电到服务器和负载点电源的每一个环节以减少功率损耗。他们的工作带来了架构的突破，有望从根本上改变今后十年电力传输的面貌。

关于效率问题，美国Vicor公司的市场行销售副总裁Stephen Oliver表示：“对于最终使用的每1W电力，我们必需输送2.3W的电力。” Oliver所指就是所谓的电能利用率(PUE)。PUE定义为数据中心的总电能消耗与IT设备本身的电能消耗之比，它由致力于提高IT数据中心能源效率的组织――The Green Grid联盟所定义。

在典型的美国数据中心中，阻碍电力传输链效率提升的因素有两个：链路中的电源转换次数与配电损耗。总效率低下是数据中心所有电源转换以及诸如处理器、存储器和磁盘驱动器等元器件的效率造成的。比如，服务器的供电电源大约有90％的效率。另外10％的能量没有得到有效利用，而这些能量损耗以热的形式散发出去。因此，冷却设备的能源消耗也需要计入PUE值。圣地亚哥超级计算机中心（SDSC）座落于加州大学圣地亚哥分校，其部门负责人Dallas Thornton相信数据中心的PUE值可以达到1.3到1.4。Thornton正为此而努力。他指出：“目前，一般数据中心PUE值在1.8以内，一些低效数据中心的PUE值甚至超过2。”

提升电力系统效率

为了提升效率，IT业界需要更高效的电源和改善电源系统管理方式。IT产业还必须考虑更高效的配电系统。当然，冷却系统的效率也必须得到优化。除了冷却系统外，其他环节的效率完全依赖于工程师对供电电源和服务器设计进行优化。

图中所示是典型的美国数据中心所使用的功率传输链路。首先，交流电输入到不间断电源（UPS），一般相间电压为480V，相电压为277V。UPS输出到电源分配单元 (PDU)的电压和输入相同，而PDU包括电源断路器以及将输入电压降压到208V的变压器。服务器的供电单元（PSU）将208V输入变换为12V直流。

整个链路显示了两个阻碍效率提升的主要因素。首先，这条链路出现了很多电源转换器。美国劳伦斯伯克力国家实验室(LBNL)的项目经理Bill Tschudi称：“每当你进行AC和DC之间的转换就会出现损耗，这种损耗转换为热量，而热量必须被散出。”实际上，典型的双向UPS设计首先将AC转换为DC为电池充电，然后再转换为AC为PDU供电。PDU变压器增加了损耗，PSU也一样，因为PSU也需要进行AC/DC转换。

另一个阻碍因素是配电损耗。PDU输出相对低的208V电压。虽然在图中PDU看起来比较简单，实际上它可能为众多服务器供电。相对低的电压意味着系统具有相对高的电流。电流大非常不利，因为配电损耗和电流的平方成正比。为了使效率最大化，Vicor公司的Oliver称：“应将电压尽量提高。”

LBNL实验室的Tschudi正在进行由州、联邦政府以及公共事业公司资助的研究，该研究内容是实现380V直流配电方式，这样同时减少配电损耗以及电源转换带来的损耗。在这个系统中，UPS可以直接供应380V的直流电压到采用DC/DC服务器的PSU。PDU仍然包含电源断路器，但是不再有电源转换器件。Tschudi强调：“如果你同时减少UPS系统的转换以及第一级的电源转换，你将获得9％左右的效率提升。”他指的是UPS输出级的DC-AC转换器，以及位于PSU的交流整流级。他所运行的测试显示节约了9％的能量，并声称这是最好的交流系统。

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图：典型的美国数据中心所使用的功率传输链路

380V电压

选择380V电压是因为其高于208V的直流电压，而且很适合服务器的PSU设计。大部分208V输入的AC/DC架构PSU，在初次整流后产生350~380V的直流电压。因此，PSU设计者可能只需要在现有的设计中消除整流级。

并不是所有人都赞同Tschudi的研究。UPS供应商认为Tschudi没有使用效率最高的产品。爱默生网络电源公司市场经理Gary Anderson对于380V直流模式所获得的效率评论说：“最多提高3～5％的效率。”他还强调，PDU中的电源转换，从可靠性角度来考虑是很重要的，因为它产生了隔离效果。Anderson说：“客户对可靠性的要求与效率一样重要。”

直流系统还存在逻辑问题。Anderson指出，直流模式不可能存在调整控制码，也不可能有电路断路器和连接器等元件。Tschudi反驳说，轨道交通以及电梯之类的应用使用直流电源，其中就存在电路断路器。Tschudi还和世界各地对直流模式感兴趣的众多组织合作，他们组成的非正式组织已经商定了一种可以通用的连接器。Anderson电源产品公司可能将在近期内推出多种连接器。

判断380V 直流模式能否实现其所承诺的效率，取决于你信任哪一方。The Green Grid联盟做了一项研究，比较了8种不同的交流/直流模式，发现他们的效率差别都处于几个百分点之内。另一家UPS供应商――美国电力转换集团(APC)，在这方面发布了多个白皮书，指出直流的优势在1~2％范围内。Tschudi相信很快会有真正的评价基准推出。NTT则正在研究某日本直流数据中心。

同时，APC提议对交流系统进行一些小的改动。资深研究分析员Victor Avelar说：“尽量设法获得240V的交流线电压” Avelar称，即使只是将配电电压从208V交流提高到240V交流，在降低配电损耗方面，也将会有一定帮助。他进一步指出，最高的240V交流采用现有连接器相对容易。他肯定地说，服务器PSU将会采用240V作为最大输入电压，而且，现有的电气连接器额定值为240V。APC建议使用自耦变压器减压到240V，因为其效率相对于大部分PDU使用的隔离变压器来得更高。

如果不是240V限制，数据中心将可能直接从UPS输出277V线电压。实际上，IT经理更愿意采购277V装置。据UCSD的Thornton说，他将从SUN以及IBM等采购一些特别的计算机，它们可以直接对接277V电压。但是，商用刀片服务器的主流系统无法提供这种对接。

电源设计的演进

服务器电源系统架构的设计者，显然需要考虑使用高电压作为输入的可实现性。同时，设计者要设计智能电源系统，使其可以与运行于服务器的电源管理软件进行通信。国际整流器（IR）企业电源部门副总裁Tim Phillips说：“这种系统不只是使你的电源效率更高，而且使其具有可控性，会让数字电子设备的效率更高。”

Phillips所指的是双向通信。实际上，数据中心的任何组成部分－－UPS、PSU、服务器以及处理器很少会满负荷运行。每个子系统和元件通常都拥有一定冗余以用来处理最坏负载情况，这样当一些部件失效时，系统仍能持续工作。通常，各个部件大约工作在全负荷的35％。IR提供的负载点电源具有切相(phase shedding)功能，能在低负载时提升效率。这种转换器使用并行相位来提供高峰值功率，而在一般电压下，其还可以关闭其中的一相。

Phillips同时认为电源管理系统必须能管理处理器，这样处理器核不会出现热击穿。即使当处理器需求很高时，管理软件最好也可以和电源系统通信，这有可能会将处理器的电压降低10~15％，尽管这样性能同时会降低，但不会造成处理器过热和突然关机。

为了处理更高的电压，电源器件必须具有一定裕度以应付任何模式，比如380V直流结构。Vicor公司已经提出一种架构，使用称为总线转换模块（BCM）单元将380V直流变换到48V直流。BCM具有工业标准的1/16砖型外形。该公司具有1平方英寸大小的电压转换模块，可以将48V转换为小于1V的输入电压。

ADI公司也提供380V直流作为输入的参考设计，其使用ADP1043数字PWM控制器。该参考设计的输出电压为12V，按照LBNL的Tschudi所建议的配置给出。

或许，电源设计最大的变化是那些负责设计的人。回头来看，系统公司已经习惯于使用专业电源提供商所提供的产品。目前，市面上已经有很多DC/DC转换芯片，而且更多的电源系统开始集成到服务器主板。Vicor公司的Oliver提到一款IBM的设计，该设计在服务器电路板上使用了17个BCM来传输5.1kW的电力。Phillips提及了一款服务器设计，其在电路板上集成了86个IR器件。毫无疑问，电源架构正在使用更高的电压，并且更接近负载。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/5/2009)


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