【導讀】高性能計算（HPC）的進步推動了計算密集型應用的創(chuàng)新，比如5G通信、航天發(fā)射、自動駕駛汽車等。與此同時，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
高性能計算（HPC）的進步推動了計算密集型應用的創(chuàng)新，比如5G通信、航天發(fā)射、自動駕駛汽車等。與此同時，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CPU，以確保其能高效率的工作。例如，1U AMD Opteron或Intel Xeon服務器的功耗大約為300~400kW。一個機架上如果有24臺這樣的服務器，總功率將在7.2kW到9.6kW之間。而刀片服務器的部署更是加劇了這一問題。以Dell PowerEdge為例，42U機柜可容納60個刀片服務器（每個7U托盤有10個刀片服務器），每個托盤的功率總計達到驚人的5.066kW，每個機架合計30.4kW。
就數(shù)據(jù)中心而言，人工智能（AI）、機器學習和深度學習的加入使機架功率迅速飆升了兩倍，達到20千瓦范圍；超級計算機服務器機架現(xiàn)在接近100千瓦或更高。隨著計算環(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？
當前，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。如今的AI加速模塊的功率水平早已超過750W，電流更是高達1,000A（在0.75V內(nèi)核電壓下）。當單個主板上有多達8個此類模塊時，其額定功率和熱管理工作將會十分驚人。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的尺寸、成本和重量。
多年來，工程師們一直使用“選項一”來兼容幾十年來建立的單相交流和12V直流-直流（DC-DC）轉換器和調節(jié)器的大型生態(tài)系統(tǒng)。然而，將增加的功率分配給多個服務器處理會造成更大的功率損失，因此，近年來現(xiàn)代電力設計越來越多地開始使用“選項二”，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峰會上提出了48V機架電源架構，用以取代當時普遍應用的12V。
相比12V電源架構，采用48V直流饋電的優(yōu)勢非常明顯。當48V直流電源被施加到每個計算主板電源的輸入端后，在傳輸12kW功率時，12V 1,000A此時就相當于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，整個系統(tǒng)的轉換效率提升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電源架構的差異。從中我們可以看出，當每個機架的功率超過10kW時，傳統(tǒng)的12V DC饋電產(chǎn)生的功率分配損耗被認為達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的單級轉換進行設計和優(yōu)化的。采用全新的48V配電架構雖然能顯著降低I2R帶來的損耗，但工程師的系統(tǒng)設計工作卻有著諸多挑戰(zhàn)。下面是幾個性能好，且簡單、易入手的設計方案和產(chǎn)品。
Vicor 48V電源架構生態(tài)系統(tǒng)
隨著處理復雜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)模計算系統(tǒng)中的核心關注點。為此，Vicor公司準備了系列化的產(chǎn)品組合，以實現(xiàn)交流或高壓配電和48V直接到負載轉換的高效解決方案，其中涉及的產(chǎn)品均具有高密度、高效率和高性價比，滿足大型計算系統(tǒng)中CPU、GPU或ASIC的功率需求。
針對前端解決方案，Vicor的母線轉換器模塊（BCM）可將HVDC轉換為隔離式SELV輸出，以此實現(xiàn)48V配電，并提供集成PMBus控制、EMI濾波和瞬態(tài)保護。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)的設計。
現(xiàn)在，這個系列有73款BCM產(chǎn)品可供選擇，從800V擴展到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換器，在260至410VDC的母線上運行，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)響應以及出色的效率和功率密度，同時頂部和底部的熱阻抗也非常低。
圖2：Vicor公司BCM6123高效母線轉換產(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克服了為高功率處理器進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（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。
開放式計算項目（OCP）聯(lián)盟不僅為分布式48V服務器背板架構帶來了開放式機架標準V2.2，還為AI開放式加速器模塊(OAM)帶來了48V標準工作電壓，這些標準要求48V至12V與12V至48V要能夠兼容。為了實現(xiàn)12V與48V的混合方案，Vicor準備了NBM2317雙向轉換解決方案，該轉換器可實現(xiàn)雙向的48V/12V高效轉換。
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基礎設施中，或將新推出的GPU集成到傳統(tǒng)12V機架中，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電力轉換生態(tài)系統(tǒng)中，英飛凌為數(shù)據(jù)中心和AI應用提供了全套解決方案，并以較高的功率密度實現(xiàn)從48V到負載點的高效轉換。針對48V供電架構，英飛凌推出了全新的中間總線轉換器（IBC）解決方案，即所謂的混合開關電容（HSC）和零電壓開關型開關電容（ZSC）。
圖4：英飛凌48V中間總線轉換器解決方案
（圖源：英飛凌）
英飛凌方案中的HSC由6個MOSFET組成（Q1~Q6），分為兩條支路并通過兩個飛跨電容和一個稱為多抽頭自耦變壓器（MTA）的磁性器件連接。其中，MTA由4個繞組串聯(lián)而成，共用同一磁芯。借助其勵磁電感，零電壓開關（ZVS）操作得以實現(xiàn)高頻運行。
圖5：混合開關電容（HSC）內(nèi)部結構
（圖源：英飛凌）
HSC具備較高的功率密度和效率，關鍵因素是采用了品質因數(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前標準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拓撲，英飛凌推出了48V（或54V）輸入系統(tǒng)兩級架構，主要用于高性能處理器（CPU、GPU、SoC、ASIC等）供電。該架構可在不影響性能的前提下，面向不同功率水平進行靈活實施和擴展。英飛凌專有的零電壓開關型ZSC通過功率器件的軟開關操作實現(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可輕松實現(xiàn)“向下兼容”或“模塊化”設計。ZSC的雙向能量傳輸能力為電源設計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設施。ZSC拓撲涉及的主要產(chǎn)品有：OptiMOS 5/6功率MOSFET、EiceDRIVER柵極驅動器以及XMC系列微控制器等。
本文小結
人工智能和云應用正在推動先進硬件的采用，包括微處理器、GPU、FPGA和需要更高功率級別的ASIC。包括英特爾的“Sky Lake”和AMD的“Rome”在內(nèi)的高級處理器在性能提升的同時，功耗也升至230-300W，英偉達的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，一個十分嚴峻的問題就是能耗的不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，目前運營數(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)級數(shù)據(jù)中心為例，它每年消耗大約100兆瓦的電力，相當于大約8萬戶家庭的能源需求。可以說，電力成本已成數(shù)據(jù)中心主要的運營支出。因此，很大限度地提高電源效率是數(shù)據(jù)中心建設的當務之急。
OCP試圖通過定義電源架構的新標準來應對此類挑戰(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撦d，比如AI ASIC/GPU/CPU或SOC上。當然，轉換效率只是決定數(shù)據(jù)中心電力使用方式的一個要素，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，其余數(shù)據(jù)中心仍繼續(xù)采用12V電源架構。如今，這一轉變正在加速，據(jù)Advanced Energy估計，到本世紀中葉，多達50%的數(shù)據(jù)中心將采用48V電源架構。
來自Market Watch的數(shù)據(jù)，2022年，全球電力轉換市場規(guī)模約為292億美元，預計在預測期內(nèi)將以5.15%的復合年增長率增長，到2028年將達到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電力架構生態(tài)系統(tǒng)，市場上可選擇的產(chǎn)品很多，設計工程師也因此有了更多的選擇。
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