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Google数据中心48V电源技术简介

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-11-06 1:57:08 * 浏览: 53
使用Google的48V电源架构,从电网到CPU的完整路径,仅经历了48V的中间转换环节,即整体效率。通过48V全柜技术降低柜级PUE可以节省基础设施投资并减少电费,这非常重要。相信会有更多用户使用这种机架式48V电源技术,这将降低采购成本,并极大地推动行业采用这种节能技术和机柜标准。随着对数据中心的需求持续增长,能源消耗正在迅速增长。当前,数据中心能耗占全球电力消耗的2%。据估计,到2020年,美国的数据中心将消耗1400亿千瓦时。目前,全球数据中心的整体PUE仍然很高。据统计,平均PUE值高达1.8。为了减少能耗并减少高昂的电费,我们在机房一级做了很多优化工作,例如采用更高效的UPS或采用HVDC。技术等方面,但是对服务器级别的能效关注仍然不够。假设机房的PUE值达到1.2,但是服务器电源效率仅假定为60%。 PUE的综合值只能相当于2.0的低水平,并且浪费了一半的能量。因此,有必要引入服务器PUE(即SPUE)的能效概念,以便实际使用更多的能量进行计算,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,服务器电源PSU将机房UPS降压至12V,然后通过服务器板上的VR降压模块降压至1.8V或1.2V。对于内存和CPU等。目前,PSU中有能源效率要求,例如Energy Star,并且基本达到80PLUS(80%)或更高的效率。即使是某些Platinum PSU电源,也可以达到94%的高效率,并且服务器板上的负载从12V到POL。该点的buck VR模块通常采用多相交错式BUCK buck模块(该模块可以在轻载下关闭),基本上实现了80%以上的供电效率,但要通过电网级UPS然后是服务器级别。 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%至70%,这意味着浪费了很大一部分能源在多级转换上,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公司现在使用带有集中式电源和风扇的服务器。例如,传统的40机架服务器机柜需要80个PSU电源模块。每个电源的负载率仅约为30%。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。使用整个机柜服务器后,可能只需要8个PSU,PSU的负载率将增加到60%至70%。因此,整个机柜模式更加经济高效,如图2所示。PSU电源机柜后面的12V电源母线为服务器主板供电。但是,使用12V集中式母线的整个机柜架构系统的集成度很高。在大功率高性能计算的情况下,12V母线和主板上的低压传输将带来更多的传输损耗。特别是,随着对现代高性能计算的需求,集成晶体管的数量迅速增加,CPU内核的数量不断增加,计算频率和线程性能的整体频率也在迅速增加。一些CPU的负载电流高达150A,并且随着对虚拟现实VR的需求,一些新的大功率设备(例如GPU)也在增加服务器的负载功率。如果仍然使用12V,它将带来很多好处。损耗大,因此使用更高的电压传输会话变得越来越必要。图3显示了40年的微处理器发展趋势数据。然而,使用非传统的12V更高电压轨也将面临许多新的挑战,例如用于高性能计算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,的专业精神。如果满足容量要求,是否可以按时大量供应,是否具有良好的应用可靠性以及较高电压带来的人身安全以及可能出现的EMI(电磁兼容性)问题,请找到正确的电压轨。这变得非常重要。图4显示了与使用高电源电压相关的问题。相比之下,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,并且具有良好的工业生态,并且非常容易实现非常高效且低成本的48V机器。机架式UPS。目前,业界领先的48V UPS电源效率可以高达97%或更高,并且由于已被广泛用于通信行业,因此48V电源的价格相对较低,而48V锂电池也很受欢迎。使用48V母线,可以大大降低母线的传输损耗,机柜功率可以扩展到30kW或更高,完全可以满足未来的升级和扩展需求。目前,许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开关可以直接由48V母线供电。甚至风扇壁也可以由48V母线直接供电,因此它可以直接通过48V母线。统一为几乎所有组件(例如IT设备,网络设备,UPS电池和机柜中的机柜冷却风扇壁)供电,以实现机柜电源的标准化。与当今通信行业的48V电源系统类似,IT行业和CT行业可以统一。 。 48V电源架构面临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处理服务器主板的不同部分(传统的12V主板类似),并使用多个不同的VR模块为CPU,DDR内存和其他外围设备供电。当前,这些48V至POL负载点直接降压VR模块在技术上已经成熟并具有大规模应用。案件。图5显示了使用48V电源架构的原因。服务器电源架构图如图6所示。在该图中,48V至1.2V POL节点VR模块为CPU供电。 48V至1.8V POL节点VR模块为DDR供电。 48V至12V VR模块为硬盘,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,高效的48V至1.X POL Direct-buck VR模块可以大大增强传统的12V电源架构。效率高,避免使用通信行业常用的48V〜12V〜1.2V多电平转换结构,以减少IT设备从电网到CPU的完整路径的综合能耗。用电量分布图如图7所示。两者之间的比较,使用Google的+ 48V电源架构,整个POL负载点的效率为94%,总系统效率为92.1%(全路径效率) (从电网到CPU),使用通信行业的-48V电源架构,可计算出相同的-48V高效电源效率为98%,-48V至12V的效率为96.5%,VR的效率板上12V〜1.8VPOL的模块按94%计算。集成系统的总效率为88.9%(从网格到CPU的全路径效率),而在使用传统的12V电源架构时,高效12VPSU的效率为95%,而12V的效率至1.8VPOL为94%,集成系统的总效率为89.3%(使用UPS为整个机柜供电)。它还需要乘以UPS转换效率cy 0.94。如果采用12VBBU架构,将会有48V〜12V电池调节的VR损耗和投资。综上所述,使用Google的48V电源架构,从电网到CPU的全路径,仅经历了48V的中间转换,整体效率与12V总线解决方案相比可减少30%的能耗( (10.7%)〜7.9%)/ 10.7%= 26.2%,此处不考虑采用48V汇流排比12V汇流排减少更多的传输损耗,再加上这部分将超过30%),并且比通信行业更有效-48V方案高投资少。此外,传统的12V电源体系结构可能还需要在机房级别配置UPS,而48V UPS电源体系结构直接使用主电源,而在机房级别不再需要UPS。因此,效率和投资都大大降低了。当然,在大功率机柜中,48V电源架构具有很大的优势。该技术应用的主要驱动力是计算负载的增加,以及48V到POL节点buck VR和48V服务器(但通过48V)的产业链和生态。降低机柜级SPUE的整个机柜技术可以带来数十亿美元的基础设施投资节省和电力成本降低,这也非常重要。随着Google加入OCP生态联盟并为该标准做出贡献,人们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该生态系统,这也减少了Google自己的采购量。降低成本并极大地促进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。作者简介李殿林,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平台数据中心规划小组工作。