數(shù)字電源轉換解決數(shù)據(jù)中心的功耗問題

在如今這個以內容為主的社會，對于高性能計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲馬力的需求讓 IT 設備的功耗達到了前所未有的水平。因此，由于功耗而產生的運營支出以及相應的散熱要求，也越來越脫離控制。企業(yè)開始感覺經(jīng)濟緊張，而環(huán)境保護問題也讓政府將原本只面向能源星法案擴大到企業(yè)設備。

這場“綠色 IT”行動讓 IT 經(jīng)理們將低功耗作為采購產品的第一標準。OEM 也需要面對在不擴大設備外形的情況下將其性能提高一倍的挑戰(zhàn)，并因而加倍功率密度?，F(xiàn)有的模擬產品方案卻讓 IT 設備廠商應對這一挑戰(zhàn)的能力受到了限制。

在大型數(shù)據(jù)中心的部署過程中，因功耗及散熱相關而產生的運營支出問題更為嚴重。由Lawrence Berkeley Labs等組織進行的多項研究顯示，在傳輸給數(shù)據(jù)中心的電能中，幾乎有59%的電能被浪費在電能傳輸和散熱損耗中。Gartner 公司在 2006 年 11 月的一則報道中指出：“到 2008 年年底，全球將有一半的數(shù)據(jù)中心用電超標”。

數(shù)據(jù)中心中的服務器大都有多余的電源。這意味著一個電源一般只以不高于其額定電源容量的 30%～50%來工作。另外，如今數(shù)據(jù)中心服務器大部分電能利用率只有 20%～40%，也就是說，其中的電源一般只以負載的 10%～20%運行。盡管很多目前的服務器一般都擁有能滿足 80Plus 能效標準的電源，但這些電源是在全負載狀態(tài)下才是能效最高的。通過數(shù)字控制來以輕負載實現(xiàn)高能效

要設計能在輕負載狀況下高效工作的電源，最大的問題就是要克服巨大的固定損耗 - 這些損耗主要取決于電源所驅動的負載。用來給內部控制和通信電路供電的內部管理和偏壓電源就是固定損耗的一個例子。目前很多方案都無法克服這些損耗問題，因為它們是模擬方案。

很多方案都號稱是數(shù)字方案，但實際上只是以一個集成硅方案代替了模擬器件，并通過這些集成硅方案來集成 PMBus 等行業(yè)通信標準。一個真正的數(shù)字方案是可以利用電源以及數(shù)字控制的優(yōu)勢來提高輕負載能效等終端應用能效的。例如，ColdWatt 公司的模塊式數(shù)字架構就充分利用了可通過一個“真正的數(shù)字架構”實現(xiàn)的靈活而復雜的控制。

這一模塊式數(shù)字架構的基礎在于平臺具有的數(shù)字處理能力。它采用了各種處理元件，因此可以利用各種專有技術的優(yōu)勢，如磁技術和復雜的數(shù)控算法等。這些補充技術讓 ColdWatt 可以實現(xiàn)比現(xiàn)有電源轉換方案高出許多的電源轉換能效。復雜控制算法讓專有磁技術可以實現(xiàn)最優(yōu)化，從而將輕負債和重負載兩種情況下的損耗降至最低。

用于控制的復雜算法可以有效提供能效增益，因為它們有很高的系統(tǒng)感知能力，并且可以動態(tài)調節(jié)功耗響應，以確保能效不會降低。數(shù)字架構會持續(xù)記錄和監(jiān)控輸入/輸出電壓、電流、功率和溫度等關鍵系統(tǒng)參數(shù)來實現(xiàn)這一決策過程。該架構增強了的處理能力可以用來給系統(tǒng)的其它部分提供額外的系統(tǒng)感知能力。

“黑匣子”功能

可靠性和可追蹤能力是對于當今服務器 OEM 的關鍵要求。記錄并取回以上提到的重要系統(tǒng)參數(shù)的能力正日益成為一個要求。為此，ColdWatt 開發(fā)了一個電源的“黑匣子”功能，類似于飛機的飛行數(shù)據(jù)記錄器。這種技術讓關鍵系統(tǒng)參數(shù)可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時被儲存。這些數(shù)據(jù)隨后會被取回，并用來分析故障發(fā)生的原因以及如何在將來避免這種故障。

如圖 1 所示，OEM 可以利用 I2C 或 PMBus 的通信能力來連續(xù)取回數(shù)據(jù)，以監(jiān)控系統(tǒng)功耗和能效，或者決定事件嚴重程度來關斷電源。OEM 還可利用這一信息，并根據(jù)電源的累計工作時間來預測故障，從而可以預先解決任何與系統(tǒng)各種組件工作壽命有關的可靠性問題。

正如前文所述，數(shù)據(jù)中心的功耗和散熱已經(jīng)成為一個重要問題。帶監(jiān)控功能的電源可以被系統(tǒng)用來確定每個服務器上的負載。該信息可以用來檢測熱區(qū)，并進而將該服務器的任務重新分配給另一個溫度更低的服務器。另外，數(shù)據(jù)中心的操作員還可以利用功耗數(shù)據(jù)來確定其客戶的費用，比如，在協(xié)同定位中，他們可以使用該數(shù)據(jù)來確定某個客戶實際使用了多少容量。

數(shù)字控制不僅能帶來更高級的系統(tǒng)功能，還能大大提高能效。從一個終端用戶的角度來講，能效增益的作用是巨大的。輕負載情況下的電源能效對整體功耗有巨大的影響。

例如，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，在 20%的負載情況下，ColdWatt 的電源比現(xiàn)在的業(yè)界領先級 80Plus電源能效至少高 5%。勞倫斯伯克利國家實驗室發(fā)明了一種可以計算更高效電源可節(jié)省的電能的工具。通過這一工具進行的計算結果顯示，在包含了 3 萬臺服務器的數(shù)據(jù)中心里，用戶使用 ColdWatt 的電源比使用 80Plus 電源可以節(jié)省大約 100 萬美元的支出。這個數(shù)字不僅在經(jīng)濟上來說是巨大的，更令人映象深刻的是，這些被浪費的電能可以供應額外的 870個服務器，這可以讓用戶大大提高數(shù)據(jù)中心的計算能力。

用 ColdWatt 公司的電源產品來節(jié)能對環(huán)境的好處

隨著越來越多的業(yè)務和服務依賴于計算和處理能力，對于新型服務器和數(shù)據(jù)中心的需求也繼續(xù)增強。功耗不僅是一個涉及到財政支出的問題，也關系到環(huán)境保護。

高效的電源對于解決這兩方面的問題都有積極作用。“綠格(Green Grid)計劃”和“計算產業(yè)氣候拯救行動”等紛紛發(fā)起，都是為了解決這兩個問題。ColdWatt 公司是這兩個計劃的創(chuàng)始成員，并堅信其電源轉換產品對行業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護都有積極作用。一個基于數(shù)字電源轉換平臺的整體能效方案可以帶來很高的系統(tǒng)整體能效和更高的系統(tǒng)可靠性。