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Google数据中心48V电源技术介绍

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-01-19 1:38:54 * 浏览: 42
使用Google的48V电源架构,从电网到CPU的整个路径仅经历了48V的中间转换环节,以提高效率。通过48V整体机柜技术降低机柜级PUE可以节省基础设施投资并降低电费,这具有重要意义。相信会有更多的用户使用这种机架式48V电源技术,这将降低采购成本,并极大地促进行业采用这种节能技术和提高机柜标准的步伐。随着对数据中心的需求持续增长,其带来的能源消耗正在迅速增长。目前,数据中心能耗占全球能耗的2%。据估计,到2020年,美国的数据中心将消耗1400亿千瓦时的电能。目前,全球数据中心的整体PUE值仍然很高。据统计,平均PUE值高达1.8左右。为了减少能耗并减少高昂的电费,每个人都在计算机机房级别上做了很多优化工作,例如使用更高效率的UPS或HVDC。技术等方面,但对服务器级别的能效关注仍然不够。假设计算机机房的PUE值达到1.2,但服务器电源效率仅假定为60%,而综合PUE值只能相当于2.0的较差水平。浪费了一半的能源。因此,有必要引入服务器PUE(即SPUE)能效概念,以允许更多的能量用于计算,这对于大型云计算数据中心而言尤其重要。传统的数据中心使用UPS为服务器供电。在服务器级别,服务器机房PSU将UPS机房电源降低到12V,然后通过服务器主板上的VR降压模块将电压降低到1.8V或1.2V。到内存和CPU。当前,PSU具有“能源之星”和其他能源效率要求。基本上,他们达到了80PLUS(即80%)或更高的效率。甚至某些铂金PSU电源都实现了94%的高效率,并且服务器主板的负载从12V到POL。降压VR模块通常使用多相交错式BUCK降压模块(某些模块可以在轻负载下关闭),基本上也可以达到80%以上的电源效率,但是从电网传递到计算机房间级别的UPS,然后到服务器级别。 PSU以及主板级VR降压模块的多级转换,从网格到CPU和内存的全路径电源效率仅为60%到70%,这意味着很大一部分能源浪费在多级转换上,因此有必要简化这种电源架构并提高转换效率。传统的服务器电源架构如图1所示。为了降低设备投资成本并提高电源效率,大型Internet公司的服务器现在使用带有集中式电源和风扇的整个机架服务器。例如,传统的40机架服务器机架需要80个PSU电源模块,但是每个电源的负载率仅为30%左右。在这种情况下,PSU的投资成本很高,并且PSU在较低负载下的运行效率非常差。在采用整个机柜服务器后,它可能仅需要8个PSU,并且PSU的负载率已提高到60%到70%的更高效率点。无疑,它更加经济高效。 PSU电源机柜后面的12V电源母线为服务器主板供电。但是,这种12V集中式母线在整个机柜架构系统中具有高度的集成度。在大功率高性能计算的情况下,主板上的12V母线和低压传输将带来更多的传输损耗。特别是随着现代高性能计算的需求,集成晶体管的数量正在迅速增加,CPU内核的数量也在增加,整体计算频率和线程性能也在增加,总功耗也在迅速增加。一些CPU的负载电流高达150A,并且随着虚拟现实VR的需求,一些新的大功率设备(例如GPU)也在不断增加。他加载服务器的功耗。此时,如果仍然使用12V的电压,将会带来很多大的损耗,因此使用更高电压的传输变得越来越有必要。图3显示了40年微处理器的发展趋势数据。但是,使用非传统的12V更高电压轨也将面临许多新挑战,例如适用于高性能计算CPU的POL负载点VR电源技术,以及这些降压VR模块的工业生态是否可用。是否满足该能力,是否可以按时大量供应,是否具有良好的应用可靠性以及使用较高电压带来的人身安全以及可能的EMI(电磁兼容性)问题,因此请找到合适的电压铁路变得非常重要。图4显示了与使用高电源电压相关的问题。经过比较,Google最终选择了48V电压轨,因为该电压水平已在通信行业中得到广泛使用,并且具有良好的产业生态,并且很容易实现高效且低成本的48V整机。机架式UPS。当前业界领先的48V UPS电源效率可以高达97%或更高,并且由于其在通信行业的广泛使用,因此48V电源的价格相对较低。另外,48V锂电池也被广泛使用。使用48V母线可以大大减少母线的传输损耗,可以将机柜的功率扩展到30kW或更高,可以很好地满足将来扩展和扩展的需求。目前,很多网络设备都可以直接支持48V输入电源模块,因此整个机柜的TOR开关可以直接从48V母线供电,甚至风扇墙也可以直接从48V母线供电,从而可以直接通过48V母线。统一为机柜中几乎所有组件(包括IT设备,网络设备,UPS电池和机柜冷却风扇壁)供电,以实现机柜中的标准化供电。类似于当今通信行业中的48V电源系统,它可以将IT行业和CT行业统一起来。 48V电源体系结构带来的挑战是服务器主板需要支持48V输入。 Google的解决方案是使用以下分布式电源架构分别处理服务器主板的不同部分(传统的12V主板类似于多个电源),使用多个不同的VR模块为CPU,DDR内存和其他外围设备。目前,这些直接从48V降压至POL负载点的VR模块在技术上已经成熟并具有大规模的应用。案件。图5列出了使用48V电源架构的原因。服务器电源架构图如图6所示。图中,48V〜1.2V的POL节点VR模块为CPU供电,48V〜1.8V的POL节点VR模块为DDR供电,而48V〜VR的VR模块供电。 12V为硬盘,风扇和其他非核心外围芯片供电。 。据统计,在高计算负载下,CPU和内存的功耗最多占服务器总功耗的80%,因此使用这种高效的48V〜1.X POL直接降压VR模块可以大大增强了传统的12V电源架构。该效率还避免了当前通信行业常用的48V〜12V〜1.2V的多电平转换结构,从而降低了IT设备从电网到CPU的总体能耗。相关的电源分配如图7所示。三种比较,使用Google的+ 48V电源架构,整个POL负载点的效率为94%,整体系统效率为92.1%(从电源和CPU供电,以及通信行业的-48V电源架构,类似地,-48V高效电源的效率计算为98%,-48V至12V的效率为96.5%,并且从12V到1.8VPOL的板上VR模块的效率为94%。整体系统效率为88.9%(从网格到CPU的全路径效率),而使用传统的12V电源体系结构时,高效12VPSU的效率为95%,12V至1.8VPOL的效率为94%,整体系统效率为89.3%(使用UPS为整个机柜供电,还需要将UPS转换效率乘以0.94。如果使用12VBBU架构,则会损失和投资48V-12V电池稳压VR。综上所述,采用Google的48V电源架构,从电网到CPU的整个路径仅经历了48V的中间转换环节,整体效率降低了30%((10.7%))〜7.9的能耗。 %)/ 10.7%= 26.2%。与12V母线相比,我们还没有考虑使用48V母线来减少传输损耗,而且这一部分将超过30%),这比通信行业中的-48V解决方案更有效。高投资少。此外,传统的12V电源架构可能还需要配备机房级UPS,而48VUPS电源架构直接直接使用城市电源,而不再需要机房级UPS。因此,在效率和投资方面都大大降低了。当然,48V电源架构在大功率机柜中具有很大的优势。该技术应用的主要推动力是计算负载的不断增加,以及从48V到POL节点的降压VR和48V服务器的产业链和生态。降低机柜级SPUE的整个机柜技术可以节省数十亿美元的基础设施投资并降低电费,这也具有重要意义。随着Google加入OCP生态联盟并为该标准做出贡献,我相信会有更多的用户使用这种机架式48V电源技术,更多的制造商将参与这种生态,这也降低了Google自身的采购成本,并大大降低了采购成本。加快行业采用这种节能技术和机柜标准的步伐。表1和表2分别显示了典型电源架构的效率比较以及+ 48V电源的优势。关于作者李殿林,数据中心高级专家,腾讯数据中心架构师,高级工程师。目前在腾讯IDC平台部门的数据中心规划团队中工作。