提升“云”端電源效率

摘要：數(shù)據(jù)中心雖然擁有優(yōu)秀的計(jì)算能力，但是同時(shí)，其耗電量也很驚人。提升云端的電源效率已經(jīng)成為當(dāng)下面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。本文介紹了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀以及提升其電源系統(tǒng)能力、降低能耗的幾種方式。

　　移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)顯著地改變了我們在工作和生活中使用和交流信息的方式。而存儲服務(wù)器，即通常所稱的“云”，日益成為大多數(shù)主流應(yīng)用的部署平臺。它們利用互聯(lián)網(wǎng)和極其強(qiáng)大的資源來整合和處理分布廣泛的數(shù)據(jù)，并快速響應(yīng)用戶的請求。這向客戶提供了實(shí)時(shí)在線和始終在線(always-on)的響應(yīng)、無所不在地接入和顯著降低資本投資的承諾。云服務(wù)器是我們?nèi)粘；顒?dòng)不可缺少的一部分，無論是消費(fèi)類網(wǎng)站、視頻流應(yīng)用、作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)對機(jī)(M2M)活動(dòng)，還是諸如SAP等企業(yè)解決方案都離不開這些服務(wù)器的支持。

云的成長

　　每當(dāng)我們進(jìn)行在線搜索、觀看視頻，或在Facebook、微博、微信上發(fā)布視頻和照片時(shí)，相關(guān)公司管理的數(shù)據(jù)中心要執(zhí)行數(shù)十億次運(yùn)算并消耗數(shù)百萬瓦電力。而受到移動(dòng)計(jì)算的日益普及等因素的推動(dòng)，服務(wù)器容量更以非同尋常的速度增加。據(jù)估計(jì)，云計(jì)算市場規(guī)模已從2006年的基本為0增至2014年的580億美元;據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Forrester Research預(yù)測，公共云(不包括專屬(captive)數(shù)據(jù)中心)的規(guī)模將在2020年達(dá)到1910億美元。

　　云計(jì)算營收增長的原因包括由于技術(shù)成熟和競爭加劇所導(dǎo)致的價(jià)格下降。更令人驚訝的是云的原始計(jì)算能力的增長。據(jù)估計(jì)，領(lǐng)先云服務(wù)提供商AWS已在全球部署了超過280萬臺服務(wù)器。在架構(gòu)上，服務(wù)器也取得了顯著的進(jìn)化，轉(zhuǎn)向超大規(guī)模和多線程結(jié)構(gòu);處理器內(nèi)核的原始吞吐量也得到顯著提升。更多設(shè)計(jì)技術(shù)，例如能夠動(dòng)態(tài)地改變時(shí)鐘速度和供電電壓，以及改變同時(shí)運(yùn)行的內(nèi)核數(shù)目，都有助于更好地對計(jì)算負(fù)載需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)。不過這也顯著增加了電源功率輸出要求的復(fù)雜性。

不斷增加的耗電量

　　由于服務(wù)器數(shù)量的迅猛增加，其能耗也隨之大幅上升。要取得準(zhǔn)確的耗電量信息并不容易，但我們知道，一個(gè)功率消耗3MW的典型數(shù)據(jù)中心可容納超過8,000臺服務(wù)器。谷歌公司在2011年估計(jì)，單單其數(shù)據(jù)中心就需要連續(xù)消耗約260MW的電力，相當(dāng)于一座最先進(jìn)核能發(fā)電廠輸出電力的25%。為了緩解電力傳輸挑戰(zhàn)，全世界的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都選址于鄰近大型發(fā)電廠，如哥倫比亞河水力發(fā)電系統(tǒng)等。根據(jù)全球2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，數(shù)據(jù)中心耗電量為全球耗電量的1%～1.5%，相當(dāng)于巴西的全年總耗電量。在美國，數(shù)據(jù)中心耗電量接近全國總耗電量的2%，相當(dāng)于新澤西州的總耗電量。也就是說，到2010年底，數(shù)據(jù)中心給美國電網(wǎng)增加了整整一個(gè)新澤西州的耗電量，而且其耗電量還在增加。

　　這種大規(guī)模的耗電量的增加具有重大的經(jīng)濟(jì)影響。雖然處理器核心可以提供更大的處理能力，遵循摩爾定律并進(jìn)行架構(gòu)改進(jìn)，但其工作電壓并沒能快速跟上，以降低總耗電量。數(shù)據(jù)中心主要有兩種用電方式：一是提供計(jì)算機(jī)所需的電能，二是對其進(jìn)行充分冷卻，使系統(tǒng)保持在正常工作溫度范圍之內(nèi)。因此，輸電效率的小幅提升也對改善效益具有顯著影響。除了減少電費(fèi)，高效的電力輸送還可在既定預(yù)算下增加數(shù)據(jù)中心容量——鑒于裝機(jī)容量保持著每年兩位數(shù)的快速增長，所以這是一個(gè)非常重要的考慮事項(xiàng)。

電源分配

　　最先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心電源分配由一系列步降電壓和緊隨其后的負(fù)載點(diǎn)電力輸送組成，原始效率是最大的挑戰(zhàn)，但電源系統(tǒng)還能通過幾種方式提升能力，以幫助降低能耗。

　　多相工作：最新一代基礎(chǔ)設(shè)施電源轉(zhuǎn)換器支持多相工作方式，并將從輕負(fù)載到峰值負(fù)載的電力輸送保持在接近峰值效率的水平。它們通過并聯(lián)多個(gè)輸電相來達(dá)到接近峰值效率，由控制器根據(jù)耗電量來調(diào)節(jié)這些相位。圖1顯示了一種典型的多相系統(tǒng)，其中穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)每個(gè)電感，以提供可變電流值。多相工作可彌補(bǔ)單相轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要缺點(diǎn)，即效率在額定負(fù)載下達(dá)到峰值，但在極高負(fù)載時(shí)下降。圖2顯示了多相系統(tǒng)如何根據(jù)負(fù)載來智能地選擇相數(shù)。在很大工作負(fù)載范圍內(nèi)使效率曲線平坦化，可免除數(shù)據(jù)中心規(guī)劃員在對典型負(fù)載和最大負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化之間進(jìn)行選擇。

　　并聯(lián)電源通道：將處理器核心分成多個(gè)“電源孤島(power island)”，可使系統(tǒng)的不同構(gòu)成部分能夠在其不使用時(shí)斷電。電力輸送系統(tǒng)現(xiàn)在能滿足提供多個(gè)同步電源軌的需要。

　　通信：目前的處理器核心通過數(shù)字總線(通常為PMBus)將預(yù)期的耗電量傳達(dá)給電源轉(zhuǎn)換器。負(fù)載變化可能是增加的額外處理器核心的函數(shù)、處理器時(shí)鐘速度的變化或?qū)浖谔幚硖貏e密集的指令序列的認(rèn)知。借助對預(yù)期負(fù)載的洞察，控制器能夠使電源效率在負(fù)載范圍內(nèi)保持最大化。管理能耗持續(xù)時(shí)間及水平的能力為服務(wù)提供商帶來了另一大優(yōu)勢：它們能夠使用系統(tǒng)活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度來計(jì)算每個(gè)處理任務(wù)的賬單。

下一步是什么?

　　在不久的將來，多相控制器將提供全數(shù)字控制回路，并集成時(shí)序控制、遙測和先進(jìn)的故障處理功能。它們還將提供眾多處理器接口選項(xiàng)，并支持帶有集成驅(qū)動(dòng)器和同步FET的智能功率級。電源設(shè)計(jì)師將能使用軟件GUI(如Intersil的PowerNavigator)快速配置、確認(rèn)和監(jiān)測其電源的所有轉(zhuǎn)換及工作參數(shù)。PowerNavigator還能只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就能改變?nèi)魏螀?shù)、遙測或電源軌時(shí)序控制。隨著集成了時(shí)序控制和其他新特性的數(shù)字多相控制器的上市，使用多個(gè)電源的系統(tǒng)將能以正確的順序啟動(dòng)電壓軌。系統(tǒng)電源可進(jìn)行預(yù)分配，電壓轉(zhuǎn)換器能為負(fù)載提供合適的電力供應(yīng)，并滿足效率要求。這些都是在下一代數(shù)據(jù)中心“云”系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的顯著優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論

　　“云”計(jì)算具有綠色環(huán)保的特性。雖然消耗大量能源，但計(jì)算任務(wù)在云端的高效整合(采用一些迄今最強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng))仍有望降低跨系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)所需的總能耗。數(shù)據(jù)中心不斷提高的電力需求也為半導(dǎo)體制造商提供了創(chuàng)新和突破的重要機(jī)遇。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第25頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。