标准化与节能驱动数据中心的48V电源

随着资本投资从数亿美元到数十亿美元不等，最先进数据中心的所有者正在尽一切可能降低成本也就不足为奇了。由于运行数据中心的能源占全球能耗的 3% 或更多，因此1 最大限度地提高效率是当务之急。综合起来，这两个因素推动了两个趋势：数据中心设备设计标准的转变和对高效率的匹配推动。在为计算设备供电时，这些趋势汇聚在一起，推动了 48V 电源的发展。 

标准化的路由是由开放计算项目的（OCP的）打开机架倡议，它在2019年推出ORv3例举2 响应于需求在两个增加的功率密度的组件和系统级，最新的21英寸宽开机架设计支持 48V 供电方案，与流行的 12V 架构相比具有显着优势。这些优势包括提高电源转换效率，从而减少约 1.1% 的电费（根据美国能源信息署的估计）、改进的热性能以及降低约 1.5% 的硬件成本。本文稍后将详细讨论 48V 架构的效率优势。 

硬件成本降低的部分原因是当前行业从经典电源模块向电源架架构转变。电源架的机架安装配置节省空间，占用 44U 机架的 1U 用于电源，1U 用于电池备份单元，因此每个机架最多可容纳 42 个计算刀片。重要的是，锂离子电池备份单元与机架上的其他组件的集成在粒度和消除长距离电缆连接方面具有重大优势，可将铅酸电池组分开放置。同样的优势也适用于使用 19 英寸开放式机架的组织，这些机架的计算密度（以及由此而来的功率要求）与使用 OCP 设计的组织的计算密度相同。 

节约能源的动力

在美国，到 2022 年及以后，数据中心功耗预计将继续以每年 4% 至 5% 的速度增长。这远低于数据中心计算能力的增长速度，并且证明了行业在提高电源效率的同时减少功耗的努力的有效性。虽然自 2010 年以来效率的提高对用电量产生了巨大影响（图 1），但很明显需要持续创新。 

图 1：数据中心能耗

未来几年，计算架构的几个趋势正在推动数据中心对电力需求的增加。人工智能和云应用正在推动先进硬件的采用，包括需要更高功率水平的微处理器、GPU、FPGA 和 ASIC。例如： 

高级处理器，包括英特尔的“Sky Lake”和 AMD 的“Rome”，预计消耗 230 至 300 W，英特尔的“Ice Lake”预计消耗约 450 W。 

Nvidia 当前和即将推出的 GPU 预计将消耗约 600 W。 

这相当于显着增加了每个机架所需的功率（图 2）。 

图 2：每机架功率趋势

每个机架的电源要求增加到 20–40 kW，这是转向 48 V 电源架构的主要原因。随着输出功率的增加，配电损耗以及输出母线的尺寸都会增加。考虑到这一点，必须考虑 12V 架构与 48V 架构相比的效率。 

图 3：12-V Titanium 和 48-V 设计效率比较 

转换效率只是确定数据中心用电量的等式中的一个要素。支持 48 V 而不是 12 V 的其他因素是相同功率水平的电流消耗减少了 4 倍，配电损耗降低了 16 倍。这等同于更好的热性能，因此降低了冷却要求，以及减小电源母线尺寸的能力，所有这些都影响到运行数据中心的总功耗。 

这些数字在实际成本方面意味着什么？考虑一个总功耗为 10 MW 的数据中心，其服务器消耗该能量的 50%，电源使用效率 (PUE) 为 1.6。服务器电源效率提高 2% 导致用电量减少 1.6%。这意味着每年可节省 140 万千瓦时，相当于减少 超过 2100 万磅的CO 2排放（图 4）。每千瓦时 0.07 美元，可节省 98,000 美元。在拥有数百或数千台服务器的数据中心中，这种节省会快速增加。 

互操作性是标准化的关键

今天，大约 15% 的数据中心采用了 48V 电源架构，其余的继续使用 12V 电源架构。然而，转变正在加速，Advanced Energy 估计，到本十年中期，多达 50% 的数据中心将实施 48 V。 

如前所述，数据中心的主要经济驱动力是实现设备成本效率的标准化。在考虑电源设计时，这需要供应商承诺通过采用非专有控制方法来支持互操作性，并确保电压和电流环路带宽可以在异构环境中适当匹配。作为 OCP ORv3 的主要贡献者，Advanced Energy 积极参与这些标准化工作，与主要 OCP 用户和超大规模数据中心领域的领导者合作，为跨部署的客户创建一个通用的电源平台，最终提高采用率和规模经济48V 架构。 

如今，Advanced Energy 提供了一系列 48V 电源解决方案，包括具有 97.5% 效率和 18、24、30 和 34 kW 输出水平的 ORv3 电源架系列，以及 1U 中的锂离子电池 BBU , 21 英寸机架配置。还提供具有 97% 电源效率和 36 kW 总功率输出的 EIA 机架式电源架。 

数据中心的未来

展望数据中心的未来，随着服务器功率需求超过 30 kW，强制风冷将不再足以维持安全的工作温度。接下来的步骤是各种液体冷却方法3  ，它们利用了液体相对于空气的优越热传递特性。今天最典型的是，这意味着直接板技术，但即将到来的是浸入式冷却，其中服务器组件浸没在非导电流体中。Advanced Energy 已经在研究易于适应液体冷却的电源，使其能够用于浸入式冷却平台。 

在配电方面，整体需求的持续增加最终会导致直流模式。可能的转换是在 400 V 时，因为该级别的直流电消除了对功率因数校正级的要求，从而实现了高达 99% 的效率。 

毫无疑问，随着数据中心个体规模和安装数量的持续增长，将需要这种更高的效率。数据中心和云服务构成了数字生活方式的支柱，全球产生的数据量呈指数级增长。而随着物联网采用的设备预计在2025年贡献数据的爆炸，从2019年18.3 ZB 73.1 ZB 4  -一个几乎增加了四倍-数据中心将继续在数字经济中发挥关键作用。Advanced Energy 是这一增长的关键贡献者，通过高效、高性能的电源解决方案应对数据中心最艰巨的挑战。 

审核编辑：郭婷