為雲端運算實現最佳化電源系統設計

作者 : Julie Tyler,onsemi MCC部門策略行銷經理

對於蒸蒸日上的雲端運算而言,需要龐大的後端基礎設施來支撐,其中一項很重要的就是電源系統。本文列舉不同電壓的各自優缺點,介紹用於雲端運算中含有智慧功能的功率電路、多相控制器解決方案,以及實現雲端運算中具備電流、溫度、負載監測等智慧功能的最佳化電源設計...

「雲端運算」(cloud computing)已成為一個家喻戶曉的術語,在技術領域中的重要性和吸引力越來越大。簡單地說,「雲端」是指透過網際網路提供的任何服務。雲端運算背後的概念是創建一個無處不在的基礎設施,以實現快速且可擴展的資料和資訊存取。雖然大多數人將雲端定義和解讀為大型公共網路,但也有私有雲服務,以提供有限存取和需經授權的安全專用網路。

大多數消費者透過前端接取與雲端進行互動。在這個雲端的前端包括軟體、應用程式、圖形使用者介面(GUI)和儲存等。為了支援大量可選的前端使用者介面,雲端需要一個重要的後端基礎設施,包括電源、伺服器、資料儲存和電腦。隨著前端的雲端服務需求不斷增加,後端系統也必須具有可升級性和可擴展性。

根據ResearchAndMarkets.com的資料顯示,全球資料中心市場預計將以6.4%的複合年成長率(CAGR)成長,從2020年的191億美元增加到2025年約為261億美元。隨著雲端運算的需求持續增加,不斷地提高對於處理能力的要求。最近一項名為「重新校準全球資料中心能源使用估算」(Recalibrating global data center energy-use estimates)的研究評估,2018年全球資料中心耗電量為205兆瓦/時(TW/h),即205,000,000,000,000瓦時。如此龐大的功耗需求致使我們必須優先考慮效率和可靠性。

雲端電源電壓轉換

大多數資料中心機架使用額定電壓為220V的不斷電系統(UPS),每個機架的額定功率接近100kW。考慮到大多數核心處理器的額定電壓低於2V,一般需要將高電壓進行轉換和分配。此外,更高的額定功率表明需要以最高效率重新路由大電流,以盡可能地減少功耗和熱。大多數伺服器機架都有一個48V的背板電源。它是機架中每台伺服器(也稱為伺服器刀片)的主要電源。

1:從交流電源到伺服器背板的方塊圖。(圖片來源:onsemi)

值得一提的是,48V一直是電信和網路基礎設施中的標準電源。選擇48V的原因是人們通常認為48V是對人體無害的最高電壓。一般來說,需要使用超過48V電壓級的設備必須提供雙重絕緣保護,而且也還有其他更多嚴格的安全要求。此外,轉換超過48V的電壓需要採取接地隔離措施,才能保護設備以及操作人員。

48V12V之爭

業界圍繞48V伺服器電源展開了大量討論和實驗。大多數電腦和伺服器平台中的內部電源是12V。這源於舊式晶片技術以及用於非揮發性儲存的硬碟、冷卻風扇和運算平台中其他元件的傳統要求。CPU功耗隨著每一代處理器的升級會顯著增加,而更大的CPU電流負載又導致了更高的12V輸入電流。

這種更高的電流需求反過來要求使用更粗的電纜或匯流排以便分配12V電壓,而更高的12V電流又導致更大的配電損耗。功率損耗也會產生熱量,這是高密度運算的大敵,因為它會縮短裝置壽命並造成系統不穩定。解決這種損耗的方法之一是將48V機架電源引入伺服器本身,並導入專用的48V電源轉換器。

傳導功率損耗 = (負載電流2) x (傳導路徑阻抗)

相較於12V電源,48V電源能以四分之一的電流為負載提供相同的功率,從而將傳導路徑中的功耗降低16倍。這種對系統效率的顯著提高也帶來了一些挑戰。12V電源解決方案經過多代最佳化,其效率是非常高的。另一方面,對於CPU核心電壓來說,所用的電源電壓越高,需要的壓降也越大,這會導致功率轉換階段的效率較低。另外還需要更高電壓的晶片技術,對於MOSFET架構,單位面積的電阻往往更高,這也會增加系統成本。

這些系統挑戰也催生了各種創新和先進架構。最有前景的新式電源轉換技術之一是2所示的開關式儲能電容(STC)轉換器。這種轉換器具有極高的效率,並且在大多數情況下具有更小的電路面積。根據設計人員和整體系統架構的選擇,單級或多級轉換解決方案都已被證明是成功的。

2:開關式儲能電容(STC)轉換器有單級和多級設計之分。(圖片來源:onsemi)

特定的中間電壓因晶片供應商而異,通常根據特定的技術要求進行選擇。最高效和得到廣泛選擇的整體解決方案是使用48V降至12V、再降至1V的方案為CPU核心供電。這種方法利用成熟的解決方案和調節淨壓降,以便最大程度地提高總體系統效率(3)。

348V1V兩級轉換器為CPU核心供電的原理圖。

智慧功率電路

大電流DC-DC電源轉換器通常採用多相拓撲。每相通常包括兩個採用高側和低側半橋配置的MOSFET和一個電感。高側和低側MOSFET封裝在一起可提高功率密度,通常被稱為功率級電路。多相協同工作可提供所需的輸出負載,並由智慧多相控制器加以控制。

4:採用16相電路提供1V CPU電源的轉換器設計方塊圖。

每個相位的切換必須交錯開來,並仔細加以控制,才能最佳化負載調節、紋波、瞬態響應和包括輻射與傳導的雜訊產生。針對特定一代的CPU,每個功率級電路的相位數和電流都仔細地進行了最佳化。市場人士發現,所需的相位數正在快速增加,而且每個功率級電路的電流密度也越來越高。最先進的多相轉換器採用的相位數多達16個,總輸出功率也動輒超過1,000W (4)。

先進CPU需要極高功率密度的一個副產品是要求極高的效率和嚴格的負載調節。在CPU/ASIC中採用的先進深次微米矽技術需要嚴格的電壓容差才能正常工作。這就要求功率電路不僅要提供低功耗,還必須要有「智慧」功能,包括電流、溫度和故障報告。

透過向多相控制器回報準確的相電流和溫度,整個電源就能夠向CPU提供所需的電壓調節性能。MOSFET技術的進步在提高每一代功率級的效率方面也發揮著至關重要的作用。5顯示一個更具體的效率提升案例。設計人員需要平衡成本、峰值效率和最大負載效率。

5:強調智慧功能需求的不同功率電路之效率比較。

隨著消費者期望越來越多的資料觸手可及,雲端市場領域將繼續發展和擴展。 為了與這些需求並駕齊驅,支持雲端基礎設施的技術領域必須持續創新並預測市場需求。為了支持該基礎設施,包括多相控制器、智慧電源和POL在內的整個雲端電源樹狀架構都必須精心設計和製造,才能實現最佳化效率和可靠性的整體設計。

(參考原文:A short tutorial on power system designs in cloud computing,by Julie Tyler)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年2月號雜誌

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