动态控制实现最佳效率 全新配电架构缓减数据中心耗电成长 - 全文

传统固定电压配电的做法已无法满足数据大爆炸时代的系统所需。全新配电架构与控制技术的问世，使得转换器可以配合负载条件实时动态调节电压，维持在最佳效率。藉由这项技术，数据中心的耗电量可以大幅改善，不仅省下维运成本，也有益于环保。

万物联网(Internet of Everything, IoE)使得数据通讯网络和数据中心储存要承受更大压力。相关基础设施不可避免的增长，消耗了更多电力，使得各种云端服务的能源效率日益受到注目。任何能够节约能源的措施，包括这些数据中心中许多服务器的电源效率提升，不仅可协助营运商降低成本，并有益于环境保护。电源领域中各先进企业携手合作，结合彼此的独特经验，能够促进产业继续往前发展。

迫在眉睫的资料大爆炸
根据思科(Cisco)的估计，零售业、工业、矿业等产业都会产生非常惊人的数据量。
一所大型商店每小时收集到的资料量可达10GB，且其中1GB数据还须进一步传送到数据中心。工业生产线所产生的数据数量更大，例如自动制造工厂每小时可产生1TB数据量，而大型采矿作业每小时所产生的数据量更可以轻易超过100TB。

由于连接的「物品(Thing)」大量增加，比如实现基础设施管理和商业/住宅不动产安全应用的传感器和控制装置，名副其实的数据大爆炸已迫在眉睫。

事实上，连续撷取数据只是很简单的工作，将其转化为有用的信息才是真正的重头戏，云端服务就是关键所在。数据中心是云端服务的中心，虽然它们的处理和储存能力因技术进步而不断提升，但其耗电问题也越来越受到大众关注。

在通常为期三年的服务器寿命期间，电费往往会比购买服务器的成本还高。除此之外，还要考虑到维护所有电子设备安全运作温度的冷却能源成本。这解释了为何目前兴建数据中心的主要趋势是座落在较冷的气候环境中，甚至海底，并且要靠近丰富的可再生能源，比如水力发电厂。

为节省冷却费用，有些硬件业者正试图提高设备可容忍的运行温度。不过，营运商则是考虑提升数据中心设备的总体能源效率和降低直接能源消耗，以减少相关成本。

从电源以至系统管理软件，在服务器中的每个环节提高效率是十分重要的。除此之外，为满足提高运算能力的需求，峰值功耗持续增加，使得典型服务器主板的功耗从往日的数百W增加到今天的2kW或3kW，未来甚至可能达到5kW或更高。因此，服务器轻负载最低功耗和全负载功耗之间的差别正不断扩大。幸运的是，配电架构具有在所有运作条件下维持最佳效率的实时适应控制功能，因而变得更加灵活。

因应新需要　供电架构走向动态调整
分布式电力结构通常包括一个中间总线转换器(Intermediate Bus Converter, IBC)，它可利用一个前端AC/DC转换器，以48Vdc输入电压来运作(图1)。IBC可提供一12V的中间总线电压，用以为低电压的DC-DC负载点(POL)转换器供电，这个转换器的位置会靠近主板上的主要耗电组件，比如处理器、系统单芯片或FPGA器件。我们可以使用多个POL为核心、I/O和其他电压轨供电。

图1　传统的固定分布式电源架构较适合早期几代的服务器

以往的IBC选择48Vdc输入和12V输出电压，是为了在典型服务器主板供电时，最大限度地减少下转换的损耗和降低电流和距离比例；然而，现今的系统在核心电压、耗电量和最大功率的改变，还有全负载和无负载功耗之间的差别，已不太适合利用固定电压来维持最佳效率，而需要另一种可设置不同电压，且具实时动态改变的能力，以便实现最佳效率。

PMBus是一种产业标准协议，用于在前端利用先进总线与可数字控制的电源进行通讯，以及连接负载点转换器(图2)。只要监控这些转换器的状态，主机控制器便可以优化输入和输出电压，并发送指令来管理设备其他方面的运作，比如启用/关闭(Enable/Disable)、电压余量、故障管理、排序、波升(Ramp-up)和跟踪。

图2　透过与PMBus兼容的转换器来进行能源优化

由PMBus所实现的可控制性，可以让系统设计工程师为日益趋向软件定义、且能够实时响应以实现最佳效率的架构供电。现今一些功能最强大的效率优化技术包括动态总线电压(DBV)、适应控制电压调节(AVS)，以及依据需求进行多核启动(Multicore Activation On Demand)。

DBV：
DBV提供一种方法，可动态地调节中间总线电压，以配合主要的负载条件。在较高水平的服务器功率需求方面，PMBus指令可控制来自IBC的较高输出电压，从而降低输出电流，将配电损耗降到最低。

AVS：
领先的高性能微处理器会采用AVS技术来优化电源电压和时钟频率，以确保始终以尽可能低的功耗来满足处理需求，这还可自动补偿硅制程变化的影响和运作温度的改变。为了支持TVS，业界最近修改了PMBus规范来定义AVSBus，让POL转换器可以响应由处理器发出的AVS请求。

多核启动：
依据需求进行多核启动的特性，能够对多核处理器中的个别核心进行启动或断电，以配合负载的变化。在低处理负载时停用未使用的核心，显然有助于节省宝贵的能源。

只要持续地优化功率转换架构和总线电压，便可在每一个转换器实现改进。在包括93%运作IBC和88%运作POL的电源中，纵使每级中仅1%的改善，就能够将输入功率的损耗从18.1%降低至16.3%，这不仅代表功耗减少了10%，还减轻了数据中心冷却系统的负载，以获得额外的节能效益。因此，任何看似微小的效率改进，都能节省非常可观的电力。

能源效率将成物联网关键挑战
第一批适应控制功能，象征着软件定义电源架构的面世，预期更多附加甚至更强大的技术将会纷纷出现，许多供货商也会陆续推出各种可数字控制且与PMBus兼容的IBC和POL电源。为支持那些须要克服IoT挑战的电源设计，PMBus是十分重要的。然而，还有一些问题尚待解决，比如电源之间的「即插即用」兼容性，这些电源所提供的规范看来相似，但在接收到相同的PMBus指令时，却有着不同的表现。

现代电源架构(Architects of Modern Power, AMP)集团借着设定IBC和POL电源的可互用性标准，进一步促进数字控制的发展。这包括了PMBus指令解释的标准化，以确保所有符合AMP Group标准的电源会以相同的方式运作。

在消费者需求的推动之下，我们正快速地走向万物联网，而工商界对云数据服务的依赖性越来越高，因此所产生的大量数据必须快速地传送和处理，以提供有用的信息，然后储存以备未来参考之用。

随着市场对云数据中心的需求增加，能效正逐渐成为控制营运成本的重要因素。在主板级，随着负载情况改变而调节总线电压，可以降低功率转换期间的能耗。PMBus兼容的转换器可以利用建基于软件的实时控制，以节省宝贵的能源。

在系统级上，随着容量需求不断攀升，结合经优化的硬件和软件，将可大幅改善数据中心的用电情况。