云計算中電源系統設計的“最優解”

作者：安森美(onsemi)移動、計算和云分部策略營銷經理Julie Tyler

云計算已成為一個家喻戶曉的術語，在技術市場領域的重要性和吸引力越來越大。簡單地說，云是指通過互聯網提供的任何服務。云計算背后的概念是創建一個無處不在的基礎設施，以實現對數據和信息的快速、可擴展的訪問。

雖然大多數人把云定義和解釋為一個大型公共網絡，但也有私有云服務，以提供有限訪問和需授權的安全專用網絡。大多數消費者通過前端訪問與云進行交互。云的前端包括軟件、應用程序、圖形用戶接口(GUI)和存儲。為了支持大量可選的前端用戶接口，云需要一個重要的后端基礎設施，包括電源、服務器、數據存儲和計算機。隨著前端云服務需求的不斷增加，后端系統也必須是可升級的和可擴展的。

全球數據中心市場預計將以6.4%的年復合增長率(CAGR)從2020年的191億美元增長到2025年的261億美元1。隨著云計算需求的持續增長，對處理能力的要求也隨之增加。據估計，2018年全球數據中心耗電量為205兆瓦時，或205,000,000,000 W-hr 2。如此龐大的電力需求，使能效和可靠性成為優先考慮的因素。

云電源轉換

大多數數據中心的機架由額定電壓為220 V的不間斷電源(UPS)供電，每個機架的額定功率接近100 kW?？紤]到大多數核處理器的額定電壓低于2 V，高電壓需要進行轉換和分配。此外，額定功率越高，表明需要以最高能效重新路由大量的電流，以最小化功耗和熱量。

大多數服務器機架有一個48 V的背板電源。這是機架中每臺服務器的主要電源，也被稱為服務器刀片。48 V在過去一直是電信和網絡基礎設施的標準電源。選擇48 V的原因是，人們通常認為它是對人體無害的最高電壓。通常，要求電壓水平超過48 V的設備必須是雙重絕緣的，并有其他更多嚴格的安全要求。

圖1：交流電源到服務器背板框圖

48 V對比12 V

已經有很多圍繞48 V服務器電源的討論和實驗。過去大多數計算機和服務器平臺的內部電源都是12 V。這通常是傳統的要求，源于舊的硅技術以及非易失性存儲的硬盤驅動器、冷卻風扇和計算平臺的其他組件。

CPU功耗隨著每一代處理器的升級急劇增加，高電流水平已開始產生顯著的導通損耗和低能效。功率損失也會產生熱量，這是高密度計算的大敵，因其導致設備使用壽命縮短并產生系統漏洞。應對這種損耗的一種方法是將48 V機架電源引入服務器本身，并引入負載點(POL)電源轉換器。

導通損耗 = (負載電流2) x (導通路徑電阻)

48 V電源可用四分之一的電流向負載提供相同的功率；從而將導通路徑上的功耗減少16倍。這對系統能效的顯著提升帶來了一些挑戰。12 V電源方案已經經過多代優化，能效極高。更高電壓的電源需要更大的降壓以達到CPU核心電壓，這可能導致電源轉換級能效較低。還需要更高電壓的硅技術，而且對于MOSFET架構來說，每單位面積的電阻往往更高，這也會增加系統成本。這些系統挑戰導致了試驗性地實施創新和先進的架構。

最有前景的新電源轉換技術之一是開關槽路電容器(STC)轉換器——圖2。這些轉換器能效極高，在某些情況下，電路面積更小。根據設計人員和整體系統結構的不同，單級和多級轉換方案都已被證實是成功的。具體的中間電壓將因硅供應商而異，通常根據他們的特定技術來選擇。所展示的最高效的整體方案是48 V-12 V-1 V，為CPU核供電。這種方法利用了兩種成熟的方案，并調節了凈壓降，最大化系統總能效——圖3。

圖2：開關槽路電容器(STC)轉換器有單級和多級設計之分

圖3：48 V至1 V兩級轉換器為CPU核心供電

內核CPU電源

大電流DC-DC電源轉換器通常采用多相拓撲。每相通常包括兩個采用上下半橋配置的MOSFET和一個電感，以形成一個單一的降壓轉換器。這架構通常被稱為功率級。多相協同工作，由一個智能電源管理集成電路(PMIC)控制。每個相位的開關必須交錯開來，并仔細控制，以優化負載調節、紋波、瞬態響應和包括輻射和導通的噪聲產生。

功率級的數量和其中每一級的電流都是為特定一代的CPU精心調校的。市場已觀察到所需的相位數正在迅速增加，且每個功率級的電流密度也越來越高。最先進的多相轉換器采用多達16個相位，總輸送功率動輒超過1000 W——圖4。

圖4：采用16相位提供1 V CPU電源的轉換器設計

智能功率級

先進CPU需要極高功率密度的一個副產品是要求極嚴格的負載調節。先進的深次微米硅技術不能容忍電源和信號節點上的電壓偏移。這就需要確保為CPU供電的多相PMIC密切監測每相的電壓、電流和溫度。所有這些信息都由智能功率級收集和管理；包括故障管理。

由于輸送到CPU的電流非常大，一個管理不善的故障狀況可能會迅速破壞處理器，導致更換一個或多個非常昂貴的部件。最先進的智能功率級考慮了負載電感和相關的瞬態尖峰以及其他系統寄生物，以最大化整個系統的可靠性。它們也是提高整個系統能效的一個關鍵因素。

圖5：強調智能功能需求的不同功率電路之效率比較

總結

隨著消費者期望越來越多的數據觸手可及，云市場領域將繼續發展和擴大。為了滿足這些需求，支持云基礎設施的技術領域必須持續創新并預測市場需求。整個云端電源樹，包括多相控制器、智能功率級和POL，都必須精心設計和制造，才能實現優化能效和可靠性的整體設計，以支持這基礎設施。安森美(onsemi)為整個電源樹提供領先行業的方案，用于從48 V到1 V的每個節點。