摘要

隨著GPU功耗的持續(xù)攀升，AI服務(wù)器環(huán)境中的供電需求不斷增長(zhǎng)，本文圍繞此趨勢(shì)展開(kāi)討論。文中重點(diǎn)闡述了供電架構(gòu)從48V向800V的轉(zhuǎn)型變化，并探討了隨著數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的演進(jìn)，ADI在高壓熱插拔保護(hù)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新成果。

數(shù)據(jù)中心熱插拔控制器的未來(lái)發(fā)展

隨著AI工作負(fù)載不斷加重，服務(wù)器環(huán)境中的GPU催生了前所未有的供電需求，推動(dòng)機(jī)柜級(jí)供電架構(gòu)向800V轉(zhuǎn)型。這種高壓架構(gòu)為系統(tǒng)保護(hù)與監(jiān)控帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，尤其是在托盤(pán)帶電插拔的過(guò)程中。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要新一代熱插拔控制器：不僅要具備管理高壓浪涌電流的能力，還要能提供可靠的遙測(cè)功能，以支持系統(tǒng)診斷與安全防護(hù)。ADI公司在12V與48V熱插拔技術(shù)領(lǐng)域是公認(rèn)的領(lǐng)軍企業(yè)，如今正將這方面的技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)拓展至800V領(lǐng)域，以支持行業(yè)向高壓架構(gòu)轉(zhuǎn)型。

為何800V架構(gòu)至關(guān)重要？

在AI服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施中，有兩大核心趨勢(shì)正推動(dòng)機(jī)柜級(jí)供電向更高電壓轉(zhuǎn)型。

GPU功耗持續(xù)攀升：隨著GPU的計(jì)算性能不斷提升，其供電需求也在大幅增加。

單機(jī)柜計(jì)算密度增高：為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模AI訓(xùn)練與推理場(chǎng)景下的性能最大化，并盡可能降低互聯(lián)延遲，越來(lái)越多的GPU被整合到單個(gè)機(jī)柜中。這種共置方式通過(guò)縮短加速器之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑，不僅提升了帶寬效率，還減少了通信開(kāi)銷(xiāo)。

為滿(mǎn)足由此激增的機(jī)柜級(jí)供電需求，行業(yè)正逐漸轉(zhuǎn)向分布式供電架構(gòu)。在這種模式下，傳統(tǒng)供電元件（如配電單元(PDU)、電池備份單元(BBU)與電容單元(CU)）不再部署在IT主機(jī)柜內(nèi)，而是轉(zhuǎn)移至相鄰的供電側(cè)柜(sidecar)中。這種分離設(shè)計(jì)不僅支持800V等更高電壓的電力傳輸，還能騰出機(jī)柜內(nèi)的寶貴空間，用于容納更多計(jì)算資源。

現(xiàn)有的供電方式

AI機(jī)架采用48V匯流排進(jìn)行供電（見(jiàn)圖1）。交流電通過(guò)機(jī)柜內(nèi)的電源單元(PSU)轉(zhuǎn)換為48V直流電源(VDC)。48V匯流排為以下設(shè)備供電：IT設(shè)備（包括服務(wù)器PSU、GPU節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)）、自帶雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器的電池備份單元(BBU)，以及用于快速暫態(tài)支撐與瞬態(tài)處理的超級(jí)電容單元(SCU)。

圖1.數(shù)據(jù)中心48V機(jī)柜供電架構(gòu)。

圖2.48V AI服務(wù)器。

機(jī)柜上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如服務(wù)器托盤(pán)）都需要具備在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)接入與斷開(kāi)的能力。試想這樣一個(gè)場(chǎng)景：一名技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)更換服務(wù)器。為了更換單臺(tái)服務(wù)器而關(guān)閉整個(gè)機(jī)柜是不可行的。這種操作會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行造成極大干擾，更不用說(shuō)服務(wù)器停機(jī)帶來(lái)的巨額損失了。只有在出現(xiàn)重大電力問(wèn)題（如匯流排或設(shè)施供電相關(guān)故障）時(shí)，才會(huì)將機(jī)柜下線(xiàn)。除此之外，節(jié)點(diǎn)均采用熱插拔方式：技術(shù)人員無(wú)需關(guān)閉其他任何設(shè)備，即可取下待更換節(jié)點(diǎn)、完成替換并重新裝回。

在此過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的熱插拔控制器會(huì)在內(nèi)部切斷電源，確保節(jié)點(diǎn)可安全移除；而機(jī)柜的匯流排仍保持通電狀態(tài)，繼續(xù)為其他所有節(jié)點(diǎn)、BBU及SCU供電。當(dāng)替換節(jié)點(diǎn)安裝到位后，預(yù)充電電路會(huì)在完全接通前限制浪涌電流，這也是熱插拔控制器的一項(xiàng)關(guān)鍵功能。隨后，替換節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)并重新接入AI集群（通常由編排工具負(fù)責(zé)負(fù)載再平衡）。

圖2展示了AI服務(wù)器從48V匯流排到處理器的供電分配情況，其中清晰地將熱插拔控制器標(biāo)注為“首個(gè)接口”，讓技術(shù)人員能夠安全、高效地移除節(jié)點(diǎn)。

ADI公司擁有豐富的48V熱插拔控制器產(chǎn)品系列，具備PMBus®電源監(jiān)控功能，例如LTC4286與LTC4287二者均為7 mm × 7 mm QFN封裝的熱插拔控制器，分別采用單柵極與雙柵極架構(gòu)。最近，該產(chǎn)品系列又新增了LTC4284雙柵極解決方案，其封裝規(guī)格為5 mm × 8 mm QFN。

向更高電壓演進(jìn)

隨著AI處理器的功耗不斷增加，機(jī)柜級(jí)高壓直流配電正成為新的發(fā)展方向。ADI公司站在技術(shù)前沿，并與行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)緊密合作，共同解決相關(guān)難題。

機(jī)柜側(cè)已定義新的配電電壓等級(jí)（±400V或800V），由供電側(cè)柜直接輸送至IT機(jī)柜。圖3展示了這一擬議架構(gòu)。

圖3.數(shù)據(jù)中心±400V/800V機(jī)柜供電架構(gòu)。

機(jī)柜級(jí)電壓向更高水平轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動(dòng)力，是單機(jī)柜不斷攀升的供電需求。隨著供電功率增加，流經(jīng)匯流排的電流也會(huì)相應(yīng)增大。為維持符合要求的熱性能與電性能，電流增大意味著需要更大、更重的匯流排，而這在機(jī)械實(shí)用性與系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。通過(guò)提高供電電壓，所需電流可按比例降低，從而能夠使用尺寸更緊湊、更易管理的匯流排及互聯(lián)元件。這種向更高電壓的轉(zhuǎn)型，對(duì)于在下一代AI服務(wù)器機(jī)柜中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、高效且機(jī)械可行的配電至關(guān)重要。

值得注意的是，這種架構(gòu)演進(jìn)過(guò)程中可能存在過(guò)渡階段：機(jī)柜內(nèi)仍使用48V匯流排。在此情況下，PSU會(huì)升級(jí)至更高功率規(guī)格，在機(jī)柜側(cè)接收±400V/800V電壓，然后降壓轉(zhuǎn)換為48V，以適配現(xiàn)有的48V匯流排。但這并非長(zhǎng)期方案，因?yàn)槠涔╇娔芰Υ嬖诰窒蓿▎螜C(jī)柜功率可能最高僅達(dá)250kW）；而行業(yè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柜算力最大化，到本十年末將單機(jī)柜供電功率提升至1MW。因此，PSU與BBU最適合部署在IT計(jì)算機(jī)柜外部，如圖3所示。

未來(lái)，固態(tài)變壓器有望投入使用，可直接向每個(gè)IT計(jì)算機(jī)柜分配高壓，無(wú)需再依賴(lài)這些供電側(cè)柜。

熱插拔技術(shù)邁向新高度

ADI公司在數(shù)據(jù)中心電源領(lǐng)域擁有深厚的專(zhuān)業(yè)技術(shù)積淀，正與云服務(wù)提供商及半導(dǎo)體制造商合作，共同開(kāi)發(fā)下一代機(jī)柜級(jí)高壓供電解決方案。

要實(shí)現(xiàn)高壓熱插拔，需明確諸多設(shè)計(jì)考量，也需攻克各類(lèi)技術(shù)難題，方能打造出最優(yōu)解決方案。

功率密度：功率密度是關(guān)鍵因素：因?yàn)椤?00V/800V熱插拔電路最終需集成在IT機(jī)柜內(nèi)的服務(wù)器卡上。這些服務(wù)器卡的空間極為寶貴，且隨著機(jī)柜密度提升（即在單個(gè)機(jī)柜內(nèi)集成更多服務(wù)器），空間限制將愈發(fā)嚴(yán)格。因此，高壓熱插拔解決方案必須設(shè)計(jì)為占用盡可能小的空間。

高壓控制與保護(hù)：向±400V及800V電壓轉(zhuǎn)型，帶來(lái)了嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。48V電壓的觸電風(fēng)險(xiǎn)極低，而高電壓則可能危及生命。因此，熱插拔電路必須在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)處理大幅電流浪涌，精準(zhǔn)控制變得至關(guān)重要。管控浪涌電流上升斜率是核心，這能避免機(jī)柜設(shè)備損壞，同時(shí)保障技術(shù)人員安全。此外，系統(tǒng)還需協(xié)調(diào)時(shí)序、檢測(cè)過(guò)流或欠壓事件，并在必要時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)關(guān)機(jī)。

遙測(cè)：作為節(jié)點(diǎn)供電路徑中的首個(gè)元件，熱插拔控制器是數(shù)據(jù)采集的理想位置。它必須精準(zhǔn)測(cè)量電壓、電流與功率，以滿(mǎn)足系統(tǒng)規(guī)格要求，同時(shí)還需記錄過(guò)流、欠壓、熱關(guān)斷等事件日志。此外，熱插拔控制器還應(yīng)上報(bào)功率開(kāi)關(guān)(MOSFET)或附近印刷電路板(PCB)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)的熱插拔遙測(cè)技術(shù)能為系統(tǒng)帶來(lái)顯著價(jià)值：通過(guò)實(shí)時(shí)分析負(fù)載電流，改善能源需求預(yù)測(cè)。熱插拔環(huán)節(jié)收集的歷史電流數(shù)據(jù)，既支持預(yù)測(cè)性維護(hù)（例如在PSU觸發(fā)故障前識(shí)別異常），也能為機(jī)柜級(jí)配電容量規(guī)劃模型提供數(shù)據(jù)支撐。ADI公司正積極開(kāi)發(fā)新型高壓熱插拔控制器解決方案，以支持新興的機(jī)柜級(jí)供電架構(gòu)。依托在電源保護(hù)與遙測(cè)領(lǐng)域經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，ADI正將自身的技術(shù)能力拓展至±400V與800V領(lǐng)域。通過(guò)與領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心OEM及功率開(kāi)關(guān)供應(yīng)商合作，ADI公司的下一代解決方案在設(shè)計(jì)上充分滿(mǎn)足熱插拔系統(tǒng)不斷演進(jìn)的需求，包括緊湊的外形尺寸、精準(zhǔn)的大功率控制及更高的數(shù)采精度。這些創(chuàng)新對(duì)于保障高壓AI服務(wù)器環(huán)境安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。

結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了AI服務(wù)器機(jī)柜向800V供電架構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵趨勢(shì)，這一轉(zhuǎn)型旨在滿(mǎn)足先進(jìn)GPU日益增長(zhǎng)的功耗需求，并支持更高的計(jì)算密度。新架構(gòu)將供電元件遷移至獨(dú)立的供電側(cè)柜，從而優(yōu)化主機(jī)柜內(nèi)計(jì)算資源的空間配置。ADI處于這一技術(shù)發(fā)展的前沿，所開(kāi)發(fā)的下一代高壓熱插拔控制器能夠有效管理浪涌電流、提供全面的系統(tǒng)診斷與安全遙測(cè)功能，并確保運(yùn)行可靠性。從系統(tǒng)層面審視機(jī)柜供電的演進(jìn)后，開(kāi)發(fā)者可助力云服務(wù)器提供商與系統(tǒng)集成商獲得新的洞察，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。