數(shù)據(jù)中心的供電成本，一直是運(yùn)營(yíng)商們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的一大關(guān)注點(diǎn)。雖然從資產(chǎn)負(fù)債表來(lái)看，執(zhí)行有效工作所消耗的電力的費(fèi)用支出確實(shí)能夠創(chuàng)收，但電氣效率低下卻造成了大量的電力損失——這從服務(wù)器和電源模塊輻射的熱量中就可以感覺(jué)到，或從空調(diào)或其他冷卻系統(tǒng)的嗡嗡聲中也能夠聽(tīng)到。更重要的是，這為財(cái)務(wù)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)必須要盡可能地減小。

一個(gè)可實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的地方，是向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的供電。今天，甚至一個(gè)服務(wù)器卡就可能消耗超過(guò)1kW電能。大型的數(shù)據(jù)中心中可能包含數(shù)百個(gè)機(jī)架，在這樣的場(chǎng)景中，服務(wù)器是通過(guò)一個(gè)大容量AC/DC電源引出的電源模塊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，而這個(gè)大容量AC/DC電源又由電力公司提供的交流線路供電。其通常為作為不間斷電源（UPS）的一部分的一組備用電池供電。UPS可以提供通常為380V的高壓直流輸出，用于向數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)架分配電力?；蛘撸琔PS可能包含一個(gè)逆變器，產(chǎn)生240V或120V交流輸出分配到機(jī)架。

取決于配電策略（交流或高壓直流），服務(wù)器可能包含一個(gè)AC/DC電源或DC/DC轉(zhuǎn)換器，用來(lái)提供本地48V直流隔離電源總線。為了產(chǎn)生一個(gè)半調(diào)節(jié)的12V總線，來(lái)為負(fù)載點(diǎn)（POL）DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電，這當(dāng)中經(jīng)常會(huì)用到一個(gè)額外的中間總線轉(zhuǎn)換器（圖1）。一個(gè)服務(wù)器就可能包含幾個(gè)POL轉(zhuǎn)換器，這些POL轉(zhuǎn)換器靠近處理器和相關(guān)器件，例如專用集成電路（ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。未來(lái)，一些POL轉(zhuǎn)換器可能直接通過(guò)48V直流母線供電——詳情見(jiàn)后。

圖1.數(shù)據(jù)中心分布式電源的電壓轉(zhuǎn)換器
圖字：交流線路；隔離，轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)；半調(diào)節(jié)配電總線；總線轉(zhuǎn)換器；隔離，降壓；半調(diào)節(jié)中間總線；niPOL轉(zhuǎn)換器；降壓，調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)負(fù)載電壓

如果配電網(wǎng)的總效率為80-90%，則由電力公司提供的電力中有10%以上（由數(shù)據(jù)中心所有者支付）是由這些電源模塊以熱的形式耗散掉的。這種不期望的熱量必須予以消除，從而確保環(huán)境保持在某個(gè)規(guī)定工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定溫度，進(jìn)而確保滿足充分的系統(tǒng)可靠性。對(duì)于許多數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，這個(gè)溫度是20-22℃，其通常通過(guò)空調(diào)維護(hù)，有時(shí)通過(guò)額外的冷卻器來(lái)輔助。一些運(yùn)營(yíng)商可能采取另一種方法，即在建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心時(shí)，將其選址在寒冷的北方氣候中，以便可以利用較低的室外環(huán)境空氣來(lái)以較低的成本進(jìn)行冷卻。

考慮到電源轉(zhuǎn)換器的損耗和運(yùn)行冷卻系統(tǒng)的電能的組合成本，如果整體電源效率可以提高哪怕僅幾個(gè)百分點(diǎn)，則電費(fèi)就能獲得大幅降低。如果全球所有數(shù)據(jù)中心的效率都提高僅僅1%，那么電費(fèi)節(jié)省就相當(dāng)于近10億歐元。

過(guò)渡到數(shù)字電源
傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器傾向于在恰好低于其最大負(fù)載處達(dá)到某個(gè)效率峰值。效率在最大負(fù)載附近稍微降低，但在較低的負(fù)載下會(huì)顯著降低。發(fā)生這些變化是由于電源的性能是由電容器等器件數(shù)值固定決定的。這些數(shù)值的選取是為了確保在廣泛的工作條件下都能保持反饋穩(wěn)定，但這不能確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率不變。

現(xiàn)在，數(shù)字電源的出現(xiàn)為解決這個(gè)缺點(diǎn)提供了解決方案。與傳統(tǒng)的模擬電源不同，數(shù)字電源特性由固件決定。與使用具有固定值的電容器等器件相比，決定運(yùn)行參數(shù)的寄存器的值可以更快更容易地進(jìn)行更改。

數(shù)字電源的早期采納者利用其增強(qiáng)的靈活性來(lái)簡(jiǎn)化測(cè)試和設(shè)置，并通過(guò)創(chuàng)建平臺(tái)電源（可以對(duì)各種應(yīng)用或不同的終端用戶要求或工作條件進(jìn)行配置，只需加載不同的配置文件即可）來(lái)利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)。數(shù)字電源功能還可以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)代配電的復(fù)雜性（例如多核處理器或FPGA所需的大量不同電壓軌），并可以對(duì)由網(wǎng)絡(luò)流量需求波動(dòng)產(chǎn)生的線路和負(fù)載條件變化做出響應(yīng)。

數(shù)字電源模塊通常由中央控制器進(jìn)行調(diào)整，中央控制器通過(guò)電源管理總線（PMBus）連接與模塊進(jìn)行通信，如圖2所示。PMBus是一種由系統(tǒng)管理總線（SMBus）規(guī)范開(kāi)發(fā)出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為電源模塊之間的數(shù)據(jù)交換定義了物理連接和協(xié)議。此外，數(shù)字電源可以使用較少的板載電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而可以實(shí)現(xiàn)更小的電源模塊。這樣便能釋放額外的板級(jí)空間來(lái)承受更大的處理能力，進(jìn)而為終端用戶提供更多、更快、更好的服務(wù)。

圖2.通過(guò)PMBus總線傳送的指令控制的數(shù)字電源模塊
圖字：7.5V至14V……；3E：增強(qiáng)性能，電能管理，終端用戶價(jià)值；高達(dá)360A

下一步：軟件定義電源
軟件定義電源為數(shù)字電源帶來(lái)了實(shí)時(shí)適應(yīng)性。在軟件定義的電源架構(gòu)（SDPA）中，中央控制器上托管的軟件應(yīng)用程序進(jìn)行接管，因應(yīng)負(fù)載變化對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。它還可以補(bǔ)償較慢變化帶來(lái)的影響，例如器件老化。SDPA所實(shí)現(xiàn)的功能包括動(dòng)態(tài)總線電壓（DBV）調(diào)整——能夠隨著負(fù)載條件的變化，對(duì)總線電壓進(jìn)行優(yōu)化；以及自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）——可以對(duì)各個(gè)處理器的工作負(fù)載變化做出響應(yīng)，從而盡可能降低功耗。

軟件定義電源是一種新興技術(shù)。它有望快速發(fā)展，從而全面推動(dòng)電源效率的進(jìn)一步提高，并實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，如更嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

未來(lái)趨勢(shì)：節(jié)省電源和電路板空間
除了電源模塊控制方式的變化外，利用轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜凸β拾雽?dǎo)體最新進(jìn)展的新型直接轉(zhuǎn)換策略，也引起了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。將模塊設(shè)計(jì)成放置在負(fù)載點(diǎn)處，并直接從較高的直流總線電壓（如48V）轉(zhuǎn)換到諸如1.0V的電壓，來(lái)為最新的處理器內(nèi)核供電，可以幫助設(shè)計(jì)人員減少任何給定系統(tǒng)中的中間轉(zhuǎn)換器數(shù)量，并進(jìn)一步優(yōu)化電能效率并降低功耗。直接轉(zhuǎn)換通常還可以通過(guò)允許更小的模塊和更少的電源轉(zhuǎn)換器，來(lái)減少電源解決方案占用的總電路板表面積。此外，以4倍高的電壓進(jìn)行配電，還可顯著降低電纜和PCB走線等導(dǎo)體中的i2R損耗。

確保市場(chǎng)接受
數(shù)據(jù)中心行業(yè)正在開(kāi)始采用數(shù)字電源和軟件定義電源等等創(chuàng)新?，F(xiàn)代電源架構(gòu)（AMP）聯(lián)盟制定了綜合的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了其三家制造商成員的電源模塊之間的互操作性[1]。該聯(lián)盟的工作為設(shè)備買家提供了第二來(lái)源選擇的保證。過(guò)去，新電源技術(shù)的倡導(dǎo)者通常通過(guò)提供一種新的專利解決方案來(lái)吸引客戶。事實(shí)證明這種方法并不成功，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心所有者在歷史上對(duì)可靠、一致的模塊供應(yīng)和激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)高度重視。

愛(ài)立信通過(guò)在其數(shù)字電源陣容中提供符合AMP框架的重要新模塊，正在幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員充分利用電源的最新進(jìn)展，并對(duì)設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)的穩(wěn)定供應(yīng)和定價(jià)充滿信心。

總結(jié)
功耗已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心所有者和運(yùn)營(yíng)商的主要關(guān)注點(diǎn)，它們熱衷于評(píng)估哪些OEM可以提供最有效的解決方案。了解電力是如何分配到孜孜不倦的計(jì)算機(jī)服務(wù)器，有助于了解其中的設(shè)計(jì)改進(jìn)如何能夠提高整體效率，同時(shí)支持更高的計(jì)算機(jī)性能。數(shù)字電源衍生出軟件定義電源，以及諸如48V至POL直接轉(zhuǎn)換的其他進(jìn)展，將繼續(xù)為提高系統(tǒng)能效提供更多的新機(jī)會(huì)，并有助于控制整體數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。