【導(dǎo)讀】高性能計(jì)算（HPC）的進(jìn)步推動(dòng)了計(jì)算密集型應(yīng)用的創(chuàng)新，比如5G通信、航天發(fā)射、自動(dòng)駕駛汽車等。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的能耗也在持續(xù)增加。
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數(shù)據(jù)中心
高性能計(jì)算（HPC）的進(jìn)步推動(dòng)了計(jì)算密集型應(yīng)用的創(chuàng)新，比如5G通信、航天發(fā)射、自動(dòng)駕駛汽車等。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的能耗也在持續(xù)增加。
這其中的大部分功率主要供給基礎(chǔ)CPU，以確保其能高效率的工作。例如，1U AMD Opteron或Intel Xeon服務(wù)器的功耗大約為300~400kW。一個(gè)機(jī)架上如果有24臺(tái)這樣的服務(wù)器，總功率將在7.2kW到9.6kW之間。而刀片服務(wù)器的部署更是加劇了這一問題。以Dell PowerEdge為例，42U機(jī)柜可容納60個(gè)刀片服務(wù)器（每個(gè)7U托盤有10個(gè)刀片服務(wù)器），每個(gè)托盤的功率總計(jì)達(dá)到驚人的5.066kW，每個(gè)機(jī)架合計(jì)30.4kW。
就數(shù)據(jù)中心而言，人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入使機(jī)架功率迅速飆升了兩倍，達(dá)到20千瓦范圍；超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架現(xiàn)在接近100千瓦或更高。隨著計(jì)算環(huán)境越來越密集，數(shù)據(jù)中心的電源管理變得越來越重要。
為什么需要48V電源架構(gòu)？
當(dāng)前，為數(shù)據(jù)中心提供電力的配電網(wǎng)（PDN）廣泛采用的是傳統(tǒng)的12V電源架構(gòu)。如今的AI加速模塊的功率水平早已超過750W，電流更是高達(dá)1,000A（在0.75V內(nèi)核電壓下）。當(dāng)單個(gè)主板上有多達(dá)8個(gè)此類模塊時(shí)，其額定功率和熱管理工作將會(huì)十分驚人。在功率損耗和熱管理方面，通常有兩種方法可以改善PDN對電力系統(tǒng)性能的影響：
選項(xiàng)一
使用更大尺寸的電纜、連接器和更厚的主板電源板以降低PDN電阻；
選項(xiàng)二
提高PDN電壓以降低給定功率傳輸?shù)碾娏?，這樣可以降低電纜、連接器、主板銅平面尺寸及其相關(guān)的尺寸、成本和重量。
多年來，工程師們一直使用“選項(xiàng)一”來兼容幾十年來建立的單相交流和12V直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器的大型生態(tài)系統(tǒng)。然而，將增加的功率分配給多個(gè)服務(wù)器處理會(huì)造成更大的功率損失，因此，近年來現(xiàn)代電力設(shè)計(jì)越來越多地開始使用“選項(xiàng)二”，即采用更高的PDN電壓來降低功率損耗。為此，谷歌在2016年的OCP峰會(huì)上提出了48V機(jī)架電源架構(gòu)，用以取代當(dāng)時(shí)普遍應(yīng)用的12V。
相比12V電源架構(gòu)，采用48V直流饋電的優(yōu)勢非常明顯。當(dāng)48V直流電源被施加到每個(gè)計(jì)算主板電源的輸入端后，在傳輸12kW功率時(shí)，12V 1,000A此時(shí)就相當(dāng)于48V 250A，流經(jīng)電源母線的電流僅為原來的1/4。從配電功率損耗（P＝I2R）的角度來看，二者也有很大的差異。假設(shè)分配路徑的電阻為0.1mΩ，12V的分配損耗為100W，但在48V的情況下，損耗為6.25W，這里有16倍的差值。也就是說，相對12V的配電方案，48V方案可將總功率損耗降低16倍，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率提升30%。
圖1：12V和48V直流供電二者配電損耗比較
（圖源：Panasonic）
圖1比較形象地說明了12V和48V電源架構(gòu)的差異。從中我們可以看出，當(dāng)每個(gè)機(jī)架的功率超過10kW時(shí)，傳統(tǒng)的12V DC饋電產(chǎn)生的功率分配損耗被認(rèn)為達(dá)到了不可容忍的地步，而48V DC饋電的情況要好得多，非常有助于數(shù)據(jù)中心的功率節(jié)省。
數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品的選擇
目前，正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心PDN很大一部分是針對從12V母線軌至Vcore的單級(jí)轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的。采用全新的48V配電架構(gòu)雖然能顯著降低I2R帶來的損耗，但工程師的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作卻有著諸多挑戰(zhàn)。下面是幾個(gè)性能好，且簡單、易入手的設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品。
Vicor 48V電源架構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)
隨著處理復(fù)雜AI功能的ASIC和GPU的出現(xiàn)，處理器的功耗急劇增加。而電力傳輸和能效正在成為大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)中的核心關(guān)注點(diǎn)。為此，Vicor公司準(zhǔn)備了系列化的產(chǎn)品組合，以實(shí)現(xiàn)交流或高壓配電和48V直接到負(fù)載轉(zhuǎn)換的高效解決方案，其中涉及的產(chǎn)品均具有高密度、高效率和高性價(jià)比，滿足大型計(jì)算系統(tǒng)中CPU、GPU或ASIC的功率需求。
針對前端解決方案，Vicor的母線轉(zhuǎn)換器模塊（BCM）可將HVDC轉(zhuǎn)換為隔離式SELV輸出，以此實(shí)現(xiàn)48V配電，并提供集成PMBus控制、EMI濾波和瞬態(tài)保護(hù)。在封裝上，BCM有ChiP或Vicor集成適配器（VIA）兩種規(guī)格，可簡化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
現(xiàn)在，這個(gè)系列有73款BCM產(chǎn)品可供選擇，從800V擴(kuò)展到48V輸入，具有各種K因數(shù)。以BCM6123TD1E5135T01為例，這是一款高效的母線轉(zhuǎn)換器，在260至410VDC的母線上運(yùn)行，提供32.5至51.3VDC的隔離二次電壓。產(chǎn)品具有低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及出色的效率和功率密度，同時(shí)頂部和底部的熱阻抗也非常低。
圖2：Vicor公司BCM6123高效母線轉(zhuǎn)換產(chǎn)品
（圖源：Vicor）
針對處理器供電方案，Vicor提出了“最后一英寸”供電方案，它采用的合封電源技術(shù)克服了為高功率處理器進(jìn)行大電流傳輸造成的障礙，可提供更高的峰值以及超過1000A的平均電流，同時(shí)將主板銅箔連接電阻和處理器連接電阻銳減50倍。它還用分比式電源架構(gòu)（FPA）取代了傳統(tǒng)多相位穩(wěn)壓器，有效提高了電源功率密度和傳輸效率。
合封電源技術(shù)中的橫向供電（LPD）方案將模塊化電流倍增器（MCM）布置在基板上，不僅降低了PDN損耗，還能減少電源所需的處理器基板BGA引腳。在48V AI系統(tǒng)應(yīng)用中，Vicor的LPD占據(jù)了很高的市場份額。對于有極高電流需求的處理器，Vicor的合封電源垂直供電（VPD）方案將MCM直接部署在處理器下方，相比LPD，PDN電阻還能再降10倍。
開放式計(jì)算項(xiàng)目（OCP）聯(lián)盟不僅為分布式48V服務(wù)器背板架構(gòu)帶來了開放式機(jī)架標(biāo)準(zhǔn)V2.2，還為AI開放式加速器模塊(OAM)帶來了48V標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，這些標(biāo)準(zhǔn)要求48V至12V與12V至48V要能夠兼容。為了實(shí)現(xiàn)12V與48V的混合方案，Vicor準(zhǔn)備了NBM2317雙向轉(zhuǎn)換解決方案，該轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)雙向的48V/12V高效轉(zhuǎn)換。
在降壓工作模式下使用K:1/4，而在升壓模式下則使用K:4/1，兩個(gè)方向均提供效率相同的處理能力。無論是將傳統(tǒng)板集成到48V基礎(chǔ)設(shè)施中，或?qū)⑿峦瞥龅腉PU集成到傳統(tǒng)12V機(jī)架中，都可以利用NBM2317輕松完成，增加了云數(shù)據(jù)中心提供商在方案部署上的靈活性。
圖3：48V/12V雙向轉(zhuǎn)換器NBM2317
（圖源：Vicor）
英飛凌48V供電IBC解決方案
在新興的48V電力轉(zhuǎn)換生態(tài)系統(tǒng)中，英飛凌為數(shù)據(jù)中心和AI應(yīng)用提供了全套解決方案，并以較高的功率密度實(shí)現(xiàn)從48V到負(fù)載點(diǎn)的高效轉(zhuǎn)換。針對48V供電架構(gòu)，英飛凌推出了全新的中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）解決方案，即所謂的混合開關(guān)電容（HSC）和零電壓開關(guān)型開關(guān)電容（ZSC）。
圖4：英飛凌48V中間總線轉(zhuǎn)換器解決方案
（圖源：英飛凌）
英飛凌方案中的HSC由6個(gè)MOSFET組成（Q1~Q6），分為兩條支路并通過兩個(gè)飛跨電容和一個(gè)稱為多抽頭自耦變壓器（MTA）的磁性器件連接。其中，MTA由4個(gè)繞組串聯(lián)而成，共用同一磁芯。借助其勵(lì)磁電感，零電壓開關(guān)（ZVS）操作得以實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行。
圖5：混合開關(guān)電容（HSC）內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（圖源：英飛凌）
HSC具備較高的功率密度和效率，關(guān)鍵因素是采用了品質(zhì)因數(shù)出色的低額定電壓MOSFET。例如，在8:1配置中，電壓軌為48V的HSC可在Q3和Q6上使用額定電壓為25V的MOSFET。IQE006NE2LM5就是一款OptiMOS 25V低壓功率MOSFET，它采用PQFN3.3x3.3封裝，易于PCB布線，全新的源極底置封裝將當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)RDS(on)降低了約30%。
圖6：采用PQFN3.3x3.3封裝的OptiMOS 25V低壓功率MOSFET（圖源：英飛凌）
針對ZSC拓?fù)洌w凌推出了48V（或54V）輸入系統(tǒng)兩級(jí)架構(gòu)，主要用于高性能處理器（CPU、GPU、SoC、ASIC等）供電。該架構(gòu)可在不影響性能的前提下，面向不同功率水平進(jìn)行靈活實(shí)施和擴(kuò)展。英飛凌專有的零電壓開關(guān)型ZSC通過功率器件的軟開關(guān)操作實(shí)現(xiàn)了電容式能量傳輸，顯著提高了48V至中間總線電壓的效率和功率密度。ZSC可輕松實(shí)現(xiàn)“向下兼容”或“模塊化”設(shè)計(jì)。ZSC的雙向能量傳輸能力為電源設(shè)計(jì)人員帶來了極高的靈活度，傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)可以輕松、安全地過渡到48V設(shè)施。ZSC拓?fù)渖婕暗闹饕a(chǎn)品有：OptiMOS 5/6功率MOSFET、EiceDRIVER柵極驅(qū)動(dòng)器以及XMC系列微控制器等。
本文小結(jié)
人工智能和云應(yīng)用正在推動(dòng)先進(jìn)硬件的采用，包括微處理器、GPU、FPGA和需要更高功率級(jí)別的ASIC。包括英特爾的“Sky Lake”和AMD的“Rome”在內(nèi)的高級(jí)處理器在性能提升的同時(shí)，功耗也升至230-300W，英偉達(dá)的GPU功耗更將攀升到600W左右。
在數(shù)據(jù)中心的發(fā)展過程中，一個(gè)十分嚴(yán)峻的問題就是能耗的不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前運(yùn)營數(shù)據(jù)中心的能源已經(jīng)占到全球電力消耗的3%還多。僅以企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心為例，它每年消耗大約100兆瓦的電力，相當(dāng)于大約8萬戶家庭的能源需求?？梢哉f，電力成本已成數(shù)據(jù)中心主要的運(yùn)營支出。因此，很大限度地提高電源效率是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。
OCP試圖通過定義電源架構(gòu)的新標(biāo)準(zhǔn)來應(yīng)對此類挑戰(zhàn)，具體步驟就是將中間總線電壓從傳統(tǒng)的12V提高至48V。這一舉措可顯著降低傳輸損耗，將電力更有效地傳輸?shù)接行ж?fù)載，比如AI ASIC/GPU/CPU或SOC上。當(dāng)然，轉(zhuǎn)換效率只是決定數(shù)據(jù)中心電力使用方式的一個(gè)要素，其他有利于48V而不是12V的因素還包括，相同功率水平下電流消耗減少4倍，配電損耗降低16倍。這些進(jìn)步意味著系統(tǒng)將擁有更好的熱性能，因此也同步降低了數(shù)據(jù)中心的冷卻要求，同時(shí)還有減少電源母線尺寸等好處。
2021年底的數(shù)據(jù)顯示，全球約有15%的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)采用48V電源架構(gòu)，其余數(shù)據(jù)中心仍繼續(xù)采用12V電源架構(gòu)。如今，這一轉(zhuǎn)變正在加速，據(jù)Advanced Energy估計(jì)，到本世紀(jì)中葉，多達(dá)50%的數(shù)據(jù)中心將采用48V電源架構(gòu)。
來自Market Watch的數(shù)據(jù)，2022年，全球電力轉(zhuǎn)換市場規(guī)模約為292億美元，預(yù)計(jì)在預(yù)測期內(nèi)將以5.15%的復(fù)合年增長率增長，到2028年將達(dá)到395億美元左右。為了擁抱這一新趨勢，很多企業(yè)都推出了48V電力架構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)，市場上可選擇的產(chǎn)品很多，設(shè)計(jì)工程師也因此有了更多的選擇。
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