快速增长的数字宇宙中的服务器电源

　　到2020年末，数字宇宙 —— 一年内创建、复制和消耗的所有数字数据的度量单位——将达到40泽字节（ZB，40×1024字节），这相当于在2010年基础上增长了50倍[1]。据思科系统公司（Cisco Systems）预测，到2015年末，仅全年的互联网流量就将跨过1泽字节大关[2]。这些趋势代表了推动中型和大型服务器应用规模的数据环境变化的两个指标。

　　越来越多的访问，更加密集的内容，不断扩大的资源
　　消费者互联网流量代表了全球数据传输空前的增长。思科预测，2012年至2017年间消费者IP流量的年复合增长率（CAGR）为23％，主要由北美和亚太地区的用户贡献（见图1）。但是，全球所有地区新用户的增长速度均低于5％（见表1）。

　　图字：按地区划分的年度消费者IP流量[艾字节，EB]
　　北美 – 23% CAGR
　　亚太 - 26% CAGR
　　西欧 - 17% CAGR
　　中东欧 - 24% CAGR
　　南美 – 17% CAGR
　　中东及非洲 – 42% CAGR
　　年
　　图1：预计全球年度消费者IP流量年均复合增长率将增长23％，远高于将支持的新用户增长速度。
数据来源：思科系统公司。

　　地区     2012年接入人口 年度变化率
　　北美 81.6% 3.2%
　　中国 42.3% 4.0%
　　东亚及太平洋 41.4% 3.6%
　　欧盟 75.3% 2.1%
　　欧洲及中亚 63.2% 2.9%
　　南美及加勒比海 43.5% 4.6%
　　中东及北非 35.3% 0.4%

　　表1：按照地区划分的全球互联网接入市场渗透。资料来源：联合国。

　　有三个关键因素导致了远远超出新的互联网用户增长速度的快速流量增长。典型手机用户平均每天约144次查看他们的设备，产生了IP流量时间的46％[3]。由于公共热点提供的基本接入无处不在，便携式设备为用户提供了在办公和家庭范围之外全天候获取信息、通信和娱乐服务的方便。自2009年以来，一个正在加速的趋势是，便携式设备占整体流量的比例越来越大，以其目前的轨迹，到2015年中期将达到30％（见表2）。
　　日期 移动流量占全球流量百分比
　　2009年5月 0.9%
　　2010年5月 2.4%
　　2011年5月 6.0%
　　2012年5月 10.0%
　　2013年5月 15.0%

　　表2：2009 - 2013年移动流量占总互联网流量的百分比。数据来源StatCounter。

　　内容也已经从主要基于文本转向主要基于媒体。一张图片的大小值可能是1000个字，而一个图像可能很容易地占用五十万字个字以上的数据空间。视频是不断增长的数据组合的一部分。仅YouTube上传的视频就已经从2009年的每分钟20小时增加到2013年的每分钟100小时。

　　内容提供商已经通过各种任何东西点播（anything-on-demand，XOD）门户网站在线提供了完整的电视剧和全长影片。大部分生产设施都已转换到高清（HD）视频格式，这需要标清（SD）视频四到五倍的带宽。到2015年，视频剪辑和流媒体电视节目的流量预计将超过网络和互联网流量[4]。

　　现在，连网的设备比地球上的人还要多，设备的增长速度超过了人口的增长。思科预计，到2017年机器对机器（M2M）应用中将有60亿部设备贡献IP流量。

　　增长的服务器密度
　　为了支持这一史无前例的流量增长，预计全球平均固定宽带速度将从2012年的11 Mbps提高到2017年的39 Mbps。像那些支持谷歌光纤的基础设施项目可能会实现光纤到户（FTTP），提供高达1 Gbps的服务。

　　作为响应措施，服务器都采用了多核处理器，并增加了每个板的处理器数量。整体机架密度也已经提高，从1996年的每机架7台服务器达到2010年的每机架20台服务器。机架功率也以同种方式增加了，从2000年的千瓦/机架达到2007年的10 kW/机架，今天许多新安装的设备超过了20 kW/机架。

　　对于新设备和那些正在升级的服务器，这些趋势已经很难继续用使用单相AC-DC转换器的12 V电压在机架级分配电能。

　　12 V配电的挑战
　　基于12 V配电的典型服务器机架使用一个电力输送单元（PDU），包括EMI电源滤波器和一个有480 V三相输入和277 V单相输出的Y型配置变压器，它为机架的AC-DC转换器供电。要为一个10 kW机架供电，俗称银盒的AC/DC转换器必须为其IT负载组合提供超过800 A功率。原理图示例如图2所示。

　　图字：UPS + PDU（包括电池和变压器）
　　图2：有单相AC配电和12 V服务器主板的高密度计算机架示意图。

　　这些银盒独立工作，无需同步，导致其输入电流波形出现了更丰富的谐波含量。转换器的功率因数校正（PFC）电路可正确输入相对于输入电压波形的电流波形，但随着银盒制造商在努力提高功率转换效率，AC线路上的谐波含量也在不断增加[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold认证的银盒可提供92％的峰值效率，产生其输入电流波形约5％的总谐波失真（THD）（相对于基波频率）。符合80-Plus Titanium认证的AC/DC转换器可提供96％的峰值效率，产生约12％的总谐波失真。

　　此外，银盒是异步操作，因此所产生的谐波电流与上游AC线相互作用，且通常在PDU或不间断电源（UPS）中的三相变压器内组合，从而产生更宽的中、低频谐波（几Hz到几kHz）。

　　最近的研究[5，6]表明，当一个线路变压器的电流波形的总谐波失真超过5％时，每增加2％的总谐波失真可产生额外1％的总功率损耗，通常发生在PDU（或UPS，或两者）中。对于一个为80-Plus Titanium AC-DC转换器供电的10 kW系统，正是由于电流总谐波失真的缘故，至少相当于PDU耗散了350 W。系统设计人员必须估计PDU的大小，以适应额外损耗，从而增加了机架的安装成本，并影响整个系统的可靠性。

　　最终，随着机架功率的持续增加，12 V配电开始出现更基本的问题。由于个别主板增加了内核、内存和I/O，细分（subdivide）电源的能力变得很有限，而实际和经济规模的母线和电源输入连接器的电流最大值会对整体机架密度产生负面的影响。在20 kW/机柜中，12 V电源架必须提供净1.7 kA，而机架供电要求并没有停滞不前。

　　48等于新的12
　　48 V配电设计在一些重要方面不同于超过配电方案操作潜力的12 V系统。最值得注意的是，48 V配电系统可以用一个400 V/480 V三相整流器来替代PDU变压器和银盒（原理图示例如图3所示）。一个现代整流器可产生约3％的总谐波失真，且很少超过5％，即使是在轻负载条件下。整流器数目的减少（由于较高的单位功率）和线路电流所消耗的本来就较低的谐波含量，导致系统级电流波形谐波要低得多。

　　图字：48 V电池
　　整流器
　　48 V电池
　　54 V服务器，700 W
　　整流器

　　图3：有54 V DC配电和集成短期备份的高密度计算机架示意图。

　　服务器运营商可以充分利用现有400 V/480 V三相AC至48 V DC设备的规模经济，这些设备已在电信和其他48 V应用中广泛使用。一个典型10 kW单元仅需2U（89 mm）的机架高度，即可提供≥97％的转换效率和＜5％的总谐波失真。相比之下，400 V/480 V三相到12 V整流器是不实用的，因为它有非常高的电流输出。

　　导通损耗和导线尺寸的实际限制限制了电力可以经济地传输（基于12 V机架的系统）达到约5kW的距离。使用相同输电基础架构的48 V配电可以提供20 kW——足以从一个三相整流器为整个服务器机架供电。

　　消除了机架中单相AC的DC配电战略还简化了电池备份的实现：电池组不需要通过一台UPS逆变器来升频转换（up convert），进而驱动AC-DC转换器。相反，48 V备用电池可以通过一个管理转换、电池充电、电池监测和状态报告的最小控制界面来驱动IT负载。

　　日益转向48 V配电要求系统设计人员重新思考自己的板电源（board-power）策略。有几个可以考虑的选项，不过也有一些比12 V设计使用的选项更简单和尺寸更小。一个例子是Vicor的符合48 V英特尔VR12.5标准的参考设计，它可以消除一个中间转换级。Vicor的方法避免了多相位转换拓扑结构，从而减少了元件数量，并有助于在流行的36-60 V电信电压范围实现直接连接电源（包括备份）。元件数量的减少和更小的储能要求允许设计人员让电源传送电路（power train）更靠近处理器，进而降低与PCB走线长度大致成正比的损耗和寄生电感。

　　对于处理器和内存之外的板上负载，单级降压预计将实现整个服务器板的48 V配电。随着越来越高的功率密度需求，散热设计成为了一个日益受到关注的问题。封装技术，如Vicor的转换器级封装（Converter housed in Package，ChiP）平台兼容了双面冷却，可以简化热-机械设计。

　　总体而言，48 V配电设计比12 V方案使用材料的更少。其机架级材料清单更短，需要的铜更少。利用Vicor的符合48 V英特尔VR12.5标准的解决方案，也避免了使用电解电容。净效应是更高的可靠性、更好的可扩展性和更高的功率密度。

　　今天，服务器群的电力需求从早年的1 kW/机架增加到了20 kW。数据流量趋势正在加速，预计在不久的将来需求将达到30 kW/机架。

　　在一段距离上的电流幅值和功率传递的实际限制迫使人们安装高密度服务器，从12 V配电转向48 V设计。这种转变带来的是12 V系统无法提供的好处。

　　当板上转换器直接以48 V运行时，48 V电源特别具有吸引力。这些拓扑结构可以减少元件数量、能量储存和损耗，同时提高可靠性。诸如ChiP的新的封装技术允许双面冷却并简化散热设计。

　　48 V DC配电提供了一个可以随预见的服务器部署规模提升的高功率密度。

Vicor
参考文献：
1. Digital Universe Study, IDC, Sponsored by EMC, December 2012.
2. Cisco Visual Networking Index： Forecast and Methodology, 2012-2017, Cisco Systems, May 2013.
3. Meeker, Mary and Liang Wu, Internet Trends D11 Conference (presentation), KPCB, May 29, 2013.
4. Surge in video will drive global data traffic to more than 60,000 Petabytes in 2016, ABIresearch, May 10, 2011.
5. Data Center power system harmonics： an overview of effects on data center efficiency and reliability, The Green Grid, 2013.
6. The cost of Harmonic Losses and mitigations in distribution systems, 18th International Conference on
Electricity Distribution, 6-9 June 2005.