提高数据中心能源效率的创新电源技术

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――电力需求和成本的增长需要降低能耗、促进环境保护责任的战略和战术――

作者:Intersil公司高级副总裁Peter Oaklander

减少数据中心所需的能源已成为当务之急。根据劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)2009年的报告,现在数据中心的电力消耗大约相当于美国总能源消耗的2.5%。随着移动互联网、云计算,以及其他技术的日趋成熟,电力消耗将会继续攀升。根据2009年VMWare公司的报告,截至2009年,数据中心每年的能耗上升了大约12%。仅在美国,每年的总电力成本已接近34亿美元。因此,减少电力消耗的战略、管理能力,以及促进环境保护的责任已成为一个重要目标。
 

根据2009年的麦肯锡公司(McKinsey and Company)的报告,每年数据中心服务器数量的增长约为10%,因此这些战略至关重要。新世代的服务器既复杂,又是潜在的耗电大户。例如,现在一台典型服务器中DC-DC稳压器的数量相当多,CPU核心电压(Vcore)使用了5或6个相位稳压器。总之,这些稳压器可以在1V条件下提供高达150A的峰值电流,或每个CPU 150W的功率。此外,存储器电压轨可能耗散25W至120W以上。其他电压轨耗散比较小,每个在几百毫瓦至5瓦不等。但这些加在一起就相当可观了。
 

企业和IP服务提供商的无线基站控制器或路由器等嵌入式应用带来了服务器的增长,需要新的、高效的电源管理技术。一种解决方案是关闭数据中心多余的服务器电源,通过节约电力可以即时实现能源成本的节省。很明显,较少的系统意味着更加省电,同时降低了运营成本。一台低利用率的入门级服务器的本机工作负载会消耗50W的能量,每年约合600美元,而服务器托管的16个虚拟机的虚拟机工作负载只使用一小部分——5W的能量,每年的成本约合45美元。
 

服务器虚拟化可以因加载的减少而降低硬件的使用。另一种减少能耗的方法是利用从AC-DC转到负载点(POL)来增加电源链的轻负载效率。一台典型的服务器长时间在加载点低效率运行。一台典型的个人电脑同样在大部分时间以相对较低的电能利用率工作。虚拟化软件可以提高效率,通过确保每台服务器运行在最大MIPS速率,从而最大限度地提高服务器集群的利用率。
 

通过执行数字内核控制器还可以进一步提高效率,像Intersil这样的公司正在开发和增强这方面的技术。这种电源管理技术是为移动和计算应用开发的,旨在提高轻负载效率。在这种情况下,CPU内核稳压器能够在满负载运行时实现超过90%的效率,在轻负载时以接近1A获得超过100A或两个数量级的效率。在数据中心中,这种高功率负载存在于核心CPU和服务器的密集内存,也存在于处理网络数据流量的定制ASIC当中。
 

为了帮助控制功耗,像Intersil这样的公司正在开发新的多相和负载点架构,以提高服务器的DC-DC效率。例如Intersil的VR12六相稳位压器的多相位稳压器就是专门针对提高轻负载使用条件的效率而设计的。
 

新开发的自动相位下降(auto phase dropping)、二极管仿真模式和阈值栅极电压(gate voltage over threshold)等算法,可以在10%的负载条件下提高多达20%的效率——当使用率下降时,效率还将更高。效率可以维持超过两个数量级,从几安到接近100A。
 

还有其他一些新的集成功率级,如DrMOS,由于Ron  数值较低,而且FET的寄生电容更小,它可以用较少的损失实现更高的开关频率。至于其他电源轨,较新的稳压器采用了便携式系统技术,为提高效率提供了另一种手段,包括从PWM切换到PFM,以及用于较高开关速度和密度的集成的FET。
 

需要考虑高功率的CPU、内存和ASIC电源轨——以及现场可编程门阵列(FPGA)、辅助模拟、I/O和备用电路等其他电压轨的增加——这些架构总体效益可能非常显著。
 

另一个提高效率的动力是为电源链增加智能。数字电源管理技术结合虚拟化有助于CPU将活动集中到数据中心服务器的子集,这样大量闲置的服务器就很容易降低到低功耗状态。数字电源还可以实现输入和负载电流、电压和功耗的监测,以及过电压/过电流和过温等诊断功能。这使得数据中心的系统控制器可以监测效率,并根据实时状况进行调整。例如Zilker Labs ZL2106数字电源管理IC提供了先进的算法,可以适应不同负载情况下的转换,并将信息返回到主机。数字电源转换器可以用于通信基础设施系统,因为这里的关键要求是高性能的转换和电源管理。
 

凭借这些产品和技术能力,就可以应对降低数据中心能源消耗和优化电源使用的挑战,即使数据中心和每个中心的服务器数量还在不断增加。