提高數(shù)據(jù)中心能源效率的創(chuàng)新電源技術(shù)

　　減少數(shù)據(jù)中心所需的能源已成為當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)2009年的報(bào)告，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的電力消耗大約相當(dāng)于美國總能源消耗的2.5%。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算，以及其他技術(shù)的日趨成熟，電力消耗將會(huì)繼續(xù)攀升。根據(jù)2009年VMWare公司的報(bào)告，截至2009年，數(shù)據(jù)中心每年的能耗上升了大約12%。僅在美國，每年的總電力成本已接近34億美元。因此，減少電力消耗的戰(zhàn)略、管理能力，以及促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的責(zé)任已成為一個(gè)重要目標(biāo)。

　　根據(jù)2009年的麥肯錫公司(McKinsey and Company)的報(bào)告，每年數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)量的增長約為10%，因此這些戰(zhàn)略至關(guān)重要。新一代的服務(wù)器既復(fù)雜，又是潛在的耗電大戶。例如，現(xiàn)在一臺(tái)典型服務(wù)器中DC-DC穩(wěn)壓器的數(shù)量相當(dāng)多，CPU核心電壓(Vcore)使用了5或6個(gè)相位穩(wěn)壓器。總之，這些穩(wěn)壓器可以在1V條件下提供高達(dá)150A的峰值電流，或每個(gè)CPU 150W的功率。此外，存儲(chǔ)器電壓軌可能耗散25W至120W以上。其他電壓軌耗散比較小，每個(gè)在幾百毫瓦至5瓦不等。但這些加在一起就相當(dāng)可觀了。

　　企業(yè)和IP服務(wù)提供商的無線基站控制器或路由器等嵌入式應(yīng)用帶來了服務(wù)器的增長，需要新的、高效的電源管理技術(shù)。一種解決方案是關(guān)閉數(shù)據(jù)中心多余的服務(wù)器電源，通過節(jié)約電力可以即時(shí)實(shí)現(xiàn)能源成本的節(jié)省。很明顯，較少的系統(tǒng)意味著更加省電，同時(shí)降低了運(yùn)營成本。一臺(tái)低利用率的入門級(jí)服務(wù)器的本機(jī)工作負(fù)載會(huì)消耗50W的能量，每年約合600美元，而服務(wù)器托管的16個(gè)虛擬機(jī)的虛擬機(jī)工作負(fù)載只使用一小部分——5W的能量，每年的成本約合45美元。

　　服務(wù)器虛擬化可以因加載的減少而降低硬件的使用。另一種減少能耗的方法是從AC-DC轉(zhuǎn)到負(fù)載點(diǎn)(POL)增加電源鏈的輕負(fù)載效率。一臺(tái)典型的服務(wù)器長時(shí)間在加載點(diǎn)低效率運(yùn)行。一臺(tái)典型的個(gè)人電腦同樣在大部分時(shí)間以相對(duì)較低的電能利用率工作。虛擬化軟件可以提高效率，通過確保每臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行在最大MIPS速率，從而最大限度地提高服務(wù)器集群的利用率。

　　通過執(zhí)行數(shù)字內(nèi)核控制器還可以進(jìn)一步提高效率，像Intersil這樣的公司正在開發(fā)和增強(qiáng)這方面的技術(shù)。這種電源管理技術(shù)是為移動(dòng)和計(jì)算應(yīng)用開發(fā)的，旨在提高輕負(fù)載效率。在這種情況下，CPU內(nèi)核穩(wěn)壓器能夠在滿負(fù)載超過100A到輕負(fù)載時(shí)以接近1A運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)超過90%的效率，或兩個(gè)數(shù)量級(jí)的效率。在數(shù)據(jù)中心中，這種高功率負(fù)載存在于核心CPU和服務(wù)器的密集內(nèi)存，也存在于處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的定制ASIC當(dāng)中。

　　為了幫助控制功耗，像Intersil這樣的公司正在開發(fā)新的多相和負(fù)載點(diǎn)架構(gòu)，以提高服務(wù)器的DC-DC效率。例如Intersil的VR12六相穩(wěn)位壓器的多相位穩(wěn)壓器就是專門針對(duì)提高輕負(fù)載使用條件的效率而設(shè)計(jì)的。

　　新開發(fā)的自動(dòng)相位下降(auto phase dropping)、二極管仿真模式和閾值柵極電壓(gate voltage over threshold)等算法，可以在10%的負(fù)載條件下提高多達(dá)20%的效率——當(dāng)使用率下降時(shí)，效率還將更高。效率可以維持超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從幾安到接近100A。

　　還有其他一些新的集成功率級(jí)，如DrMOS，由于Ron 數(shù)值較低，而且FET的寄生電容更小，它可以用較少的損失實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。至于其他電源軌，較新的穩(wěn)壓器采用了便攜式系統(tǒng)技術(shù)，為提高效率提供了另一種手段，包括從PWM切換到PFM，以及用于較高開關(guān)速度和密度的集成的FET。

　　需要考慮高功率的CPU、內(nèi)存和ASIC電源軌——以及現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、輔助模擬、I/O和備用電路等其他電壓軌的增加——這些架構(gòu)總體效益可能非常顯著。

　　另一個(gè)提高效率的動(dòng)力是為電源鏈增加智能。數(shù)字電源管理技術(shù)結(jié)合虛擬化有助于CPU將活動(dòng)集中到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的子集，這樣大量閑置的服務(wù)器就很容易降低到低功耗狀態(tài)。數(shù)字電源還可以實(shí)現(xiàn)輸入和負(fù)載電流、電壓和功耗的監(jiān)測，以及過電壓/過電流和過溫等診斷功能。這使得數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)控制器可以監(jiān)測效率，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行調(diào)整。例如Zilker Labs ZL2106數(shù)字電源管理IC提供了先進(jìn)的算法，可以適應(yīng)不同負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)換，并將信息返回到主機(jī)。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器可以用于通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，因?yàn)檫@里的關(guān)鍵要求是高性能的轉(zhuǎn)換和電源管理。

　　憑借這些產(chǎn)品和技術(shù)能力，就可以應(yīng)對(duì)降低數(shù)據(jù)中心能源消耗和優(yōu)化電源使用的挑戰(zhàn)，即使數(shù)據(jù)中心和每個(gè)中心的服務(wù)器數(shù)量還在不斷增加。