48等于新的12

到2020年末，數(shù)字宇宙 —— 一年內(nèi)創(chuàng)建、復(fù)制和消耗的所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的度量單位——將達(dá)到40澤字節(jié)(ZB，40×1024字節(jié))，這相當(dāng)于在2010年基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了50倍[1]。據(jù)思科系統(tǒng)公司(Cisco Systems)預(yù)測(cè)，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過(guò)1澤字節(jié)大關(guān)[2]。這些趨勢(shì)代表了推動(dòng)中型和大型服務(wù)器應(yīng)用規(guī)模的數(shù)據(jù)環(huán)境變化的兩個(gè)指標(biāo)。

越來(lái)越多的訪問(wèn)，更加密集的內(nèi)容，不斷擴(kuò)大的資源

消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數(shù)據(jù)傳輸空前的增長(zhǎng)。思科預(yù)測(cè)，2012年至2017年間消費(fèi)者IP流量的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為23%，主要由北美和亞太地區(qū)的用戶貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖1)。但是，全球所有地區(qū)新用戶的增長(zhǎng)速度均低于5%(見(jiàn)表1)。

圖字：按地區(qū)劃分的年度消費(fèi)者IP流量[艾字節(jié)，EB]

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(yù)計(jì)全球年度消費(fèi)者IP流量年均復(fù)合增長(zhǎng)率將增長(zhǎng)23%，遠(yuǎn)高于將支持的新用戶增長(zhǎng)速度。

數(shù)據(jù)來(lái)源：思科系統(tǒng)公司。

表1：按照地區(qū)劃分的全球互聯(lián)網(wǎng)接入市場(chǎng)滲透。資料來(lái)源：聯(lián)合國(guó)。

有三個(gè)關(guān)鍵因素導(dǎo)致了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長(zhǎng)速度的快速流量增長(zhǎng)。典型手機(jī)用戶平均每天約144次查看他們的設(shè)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(shè)備為用戶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(shì)是，便攜式設(shè)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(dá)到30%(見(jiàn)表2)。

表2：2009 - 2013年移動(dòng)流量占總互聯(lián)網(wǎng)流量的百分比。數(shù)據(jù)來(lái)源StatCounter。

內(nèi)容也已經(jīng)從主要基于文本轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)空間。視頻是不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)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(nèi)容提供商已經(jīng)通過(guò)各種任何東西點(diǎn)播(anything-on-demand，XOD)門戶網(wǎng)站在線提供了完整的電視劇和全長(zhǎng)影片。大部分生產(chǎn)設(shè)施都已轉(zhuǎn)換到高清(HD)視頻格式，這需要標(biāo)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(jié)目的流量預(yù)計(jì)將超過(guò)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

現(xiàn)在，連網(wǎng)的設(shè)備比地球上的人還要多，設(shè)備的增長(zhǎng)速度超過(guò)了人口的增長(zhǎng)。思科預(yù)計(jì)，到2017年機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)應(yīng)用中將有60億部設(shè)備貢獻(xiàn)IP流量。

增長(zhǎng)的服務(wù)器密度

為了支持這一史無(wú)前例的流量增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)全球平均固定寬帶速度將從2012年的11 Mbps提高到2017年的39 Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目可能會(huì)實(shí)現(xiàn)光纖到戶(FTTP)，提供高達(dá)1 Gbps的服務(wù)。

作為響應(yīng)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(shù)量。整體機(jī)架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機(jī)架7臺(tái)服務(wù)器達(dá)到2010年的每機(jī)架20臺(tái)服務(wù)器。機(jī)架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機(jī)架達(dá)到2007年的10 kW/機(jī)架，今天許多新安裝的設(shè)備超過(guò)了20 kW/機(jī)架。

對(duì)于新設(shè)備和那些正在升級(jí)的服務(wù)器，這些趨勢(shì)已經(jīng)很難繼續(xù)用使用單相AC-DC轉(zhuǎn)換器的12 V電壓在機(jī)架級(jí)分配電能。

12 V配電的挑戰(zhàn)

基于12 V配電的典型服務(wù)器機(jī)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480 V三相輸入和277 V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機(jī)架的AC-DC轉(zhuǎn)換器供電。要為一個(gè)10 kW機(jī)架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉(zhuǎn)換器必須為其IT負(fù)載組合提供超過(guò)800 A功率。原理圖示例如圖2所示。

圖字：UPS + PDU(包括電池和變壓器)

圖2：有單相AC配電和12 V服務(wù)器主板的高密度計(jì)算機(jī)架示意圖。

這些銀盒獨(dú)立工作，無(wú)需同步，導(dǎo)致其輸入電流波形出現(xiàn)了更豐富的諧波含量。轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正(PFC)電路可正確輸入相對(duì)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(zhuǎn)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(rèn)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(duì)于基波頻率)。符合80-Plus Titanium認(rèn)證的AC/DC轉(zhuǎn)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線相互作用，且通常在PDU或不間斷電源(UPS)中的三相變壓器內(nèi)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(dāng)一個(gè)線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(duì)于一個(gè)為80-Plus Titanium AC-DC轉(zhuǎn)換器供電的10 kW系統(tǒng)，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當(dāng)于PDU耗散了350 W。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須估計(jì)PDU的大小，以適應(yīng)額外損耗，從而增加了機(jī)架的安裝成本，并影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

最終，隨著機(jī)架功率的持續(xù)增加，12 V配電開始出現(xiàn)更基本的問(wèn)題。由于個(gè)別主板增加了內(nèi)核、內(nèi)存和I/O，細(xì)分(subdivide)電源的能力變得很有限，而實(shí)際和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會(huì)對(duì)整體機(jī)架密度產(chǎn)生負(fù)面的影響。在20 kW/機(jī)柜中，12 V電源架必須提供凈1.7 kA，而機(jī)架供電要求并沒(méi)有停滯不前。

48等于新的12

48 V配電設(shè)計(jì)在一些重要方面不同于超過(guò)配電方案操作潛力的12 V系統(tǒng)。最值得注意的是，48 V配電系統(tǒng)可以用一個(gè)400 V/480 V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(xiàn)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(fù)載條件下。整流器數(shù)目的減少(由于較高的單位功率)和線路電流所消耗的本來(lái)就較低的諧波含量，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)電流波形諧波要低得多。

圖字：48 V電池

整流器

48 V電池

54 V服務(wù)器，700 W

整流器

圖3：有54 V DC配電和集成短期備份的高密度計(jì)算機(jī)架示意圖。

服務(wù)器運(yùn)營(yíng)商可以充分利用現(xiàn)有400 V/480 V三相AC至48 V DC設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這些設(shè)備已在電信和其他48 V應(yīng)用中廣泛使用。一個(gè)典型10 kW單元僅需2U(89 mm)的機(jī)架高度，即可提供≥97%的轉(zhuǎn)換效率和<5%的總諧波失真。相比之下，400 V/480 V三相到12 V整流器是不實(shí)用的，因?yàn)樗蟹浅８叩碾娏鬏敵觥?/p>

導(dǎo)通損耗和導(dǎo)線尺寸的實(shí)際限制限制了電力可以經(jīng)濟(jì)地傳輸(基于12 V機(jī)架的系統(tǒng))達(dá)到約5kW的距離。使用相同輸電基礎(chǔ)架構(gòu)的48 V配電可以提供20 kW——足以從一個(gè)三相整流器為整個(gè)服務(wù)器機(jī)架供電。

消除了機(jī)架中單相AC的DC配電戰(zhàn)略還簡(jiǎn)化了電池備份的實(shí)現(xiàn)：電池組不需要通過(guò)一臺(tái)UPS逆變器來(lái)升頻轉(zhuǎn)換(up convert)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)AC-DC轉(zhuǎn)換器。相反，48 V備用電池可以通過(guò)一個(gè)管理轉(zhuǎn)換、電池充電、電池監(jiān)測(cè)和狀態(tài)報(bào)告的最小控制界面來(lái)驅(qū)動(dòng)IT負(fù)載。

日益轉(zhuǎn)向48 V配電要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàng)，不過(guò)也有一些比12 V設(shè)計(jì)使用的選項(xiàng)更簡(jiǎn)單和尺寸更小。一個(gè)例子是Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計(jì)，它可以消除一個(gè)中間轉(zhuǎn)換級(jí)。Vicor的方法避免了多相位轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少了元件數(shù)量，并有助于在流行的36-60 V電信電壓范圍實(shí)現(xiàn)直接連接電源(包括備份)。元件數(shù)量的減少和更小的儲(chǔ)能要求允許設(shè)計(jì)人員讓電源傳送電路(power train)更靠近處理器，進(jìn)而降低與PCB走線長(zhǎng)度大致成正比的損耗和寄生電感。

對(duì)于處理器和內(nèi)存之外的板上負(fù)載，單級(jí)降壓預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)整個(gè)服務(wù)器板的48 V配電。隨著越來(lái)越高的功率密度需求，散熱設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器級(jí)封裝(Converter housed in Package，ChiP)平臺(tái)兼容了雙面冷卻，可以簡(jiǎn)化熱-機(jī)械設(shè)計(jì)。

總體而言，48 V配電設(shè)計(jì)比12 V方案使用材料的更少。其機(jī)架級(jí)材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應(yīng)是更高的可靠性、更好的可擴(kuò)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1 kW/機(jī)架增加到了20 kW。數(shù)據(jù)流量趨勢(shì)正在加速，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)需求將達(dá)到30 kW/機(jī)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12 V配電轉(zhuǎn)向48 V設(shè)計(jì)。這種轉(zhuǎn)變帶來(lái)的是12 V系統(tǒng)無(wú)法提供的好處。

當(dāng)板上轉(zhuǎn)換器直接以48 V運(yùn)行時(shí)，48 V電源特別具有吸引力。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少元件數(shù)量、能量?jī)?chǔ)存和損耗，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(shè)計(jì)。

48 V DC配電提供了一個(gè)可以隨預(yù)見(jiàn)的服務(wù)器部署規(guī)模提升的高功率密度。

Vicor

參考文獻(xiàn)：

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5. Data Center power system harmonics： an overview of effects on data center efficiency and reliability, The Green Grid, 2013.

6. The cost of Harmonic Losses and mitigations in distribution systems, 18th International Conference on

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