是否对数据中心而言不可或缺?使用48V电源的理由和电源设计课题 (1)~为什么使用48V电源?~

2021-07-27

问题解决案例

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是否对数据中心而言不可或缺?
使用48V电源的理由和电源设计课题 (1)
~为什么使用48V电源?~

随着5G的普及,用于数据中心和边缘AI服务器等中的CPU、GPU、FPGA、ASIC等处理器也有了进化。随着处理器的进化,电源设计中出现了负荷变动和热等课题。作为此课题的解决对策,48V电源引起了人们的关注。
因此,本次我们将对向数据中心提供48V电源中所遇课题的解决对策进行解说。

支撑5G社会的数据中心的进化

下一代高速通信5G服务终于开始了。在直到2030年的今后10年期间,通信性能将会因5G技术而相比过去10年有望大幅提高,实现至今为止未能实现的各种便利性。从通信容量无限制的手机合同的推广,借助MR(混合现实)技术实现的远程医疗和远程工程,到通用的自动驾驶…。作为支撑这些新鲜事物普及的基础设施,人们每天都在大书特书5G无线基站的技术进化和展开计划。但与此同时,我们也不能忘记在后台执行应用程序运算处理的数据中心的进化。(图1)

下一代高速通信5G网络
图1 下一代高速通信5G网络

事实上,执行运算的CPU、ASIC等高性能处理器为了应对大容量的处理和新时代的应用程序,通过多核心化和高时钟化来设法提高性能。此外,我们正在积极地通过组合异种处理器来有效地提高性能。(图2)

提高处理器性能的示意图
图2 提高处理器性能的示意图

过去,数据中心的高性能处理器主要是用于服务器的CPU和用于交换机、路由器等中的通信处理用ASIC,但现在用于实现AI的GPU和ASIC、可进行灵活处理的的FPGA、用于提高数据处理能力的DPU等用于性能优化的高性能处理器正在不断扩大。譬如,通过进行超越机箱的大规模处理,如对具有两个CPU的服务器让8个GPU在别的机箱内协调动作来设法显著提高运算性能。(图3)

服务器的处理器贴装示意图
图3 服务器的处理器贴装示意图

数据中心面临的电力课题

在数据中心进化的过程中,近年来被重视的一个问题是电力消耗的增大。主要原因是处理器。以前,即使通过处理器处理过程的微细化来提高运算性能,也能够抑制电力消耗。但是,据说最近由于物理限制,通过微细化达到的电力消耗减少效果越来越小。(摩尔定律钝化)

在此背景下,以服务器为首的数据中心设备的电力消耗呈现逐渐增加的趋势,有人担心如此下去将会导致全球范围内的电力枯竭。因此,减少电力损耗,即减少作为热被浪费掉的电力消耗将变得越来越重要。

PUE(Power Usage Effectiveness,电力使用效率)作为数据中心电力效率的一个典型指标已被广泛使用。PUE可通过下式来表示,它表示该值越小电力效率越高。云服务提供商正在通过各自的技术手段努力将数据中心的PUE控制在较低水准。(图4)

PUE = 整个数据中心的电力消耗量(kWh)/IT设备的电力消耗量(kWh)
报价来源:https://sustainablejapan.jp/2017/08/06/pue/27735
谷歌公司的PUE改善推移
图4 谷歌公司的PUE改善推移
报价来源:https://www.google.com/about/datacenters/efficiency/

在各家公司都在积极致力于节省电力消耗中,谷歌公司于2016年率先引入了48V直流供电的手法。这种手法得到了广泛的支持,直到今天,为了向整个数据中心行业普及而正在推进零部件和电路的优化。

数据中心内48V直流供电的现状

48V直流供电的好处

48V直流供电被从AC/DC电源应用到各运算板的DC/DC电源输入端。譬如,在输送12kW的电力时,12V、1000A等于48V、250A,但从布线造成的电力损耗(配电损耗=I2R)的角度来看,两者出现很大的差异。
如果我们计算配电路径的电阻为0.1mΩ时的配电损耗,12V时为100W,48V时为6.25W,会出现16倍的计算差异。(图5)

供电电压差异引起的损耗比较
图5 供电电压差异引起的损耗比较

如同本例,当每台机架功率超过10kW时,以往的12V直流供电产生的电力损耗据说将达到不可接受的水平,而48V直流供电对节省数据中心的电力具有很大的效果。

电源构成的选择

使用48V直流供电时,后续阶段DC/DC转换器的电源构成也会与12V直流供电时不同。若进行大致区分,则包括两种方式,一种是用一个电源一下子从48V降至负荷电压的一级方式,一种是用第二级的电源暂时从48V降至中间电压后再转换成负荷电压的二级方式。 (图6)

电源构成的一级方式和二级方式
图6 电源构成的一级方式和二级方式

此一级方式和二级方式各自具有以下的优缺点,需根据尺寸、成本等设计要求进行选择。(表1)

方式 优点 缺点
一级方式 可以减小电力电路的尺寸。 没有备齐足够的电路和零部件。
=成本高
二级方式 丰富的电路、零部件选项。=成本低
也可以与现有的12V服务器进行兼容设计。
电源电路的尺寸增大。
表1 电源构成比较

在这两种方式中,二级方式被认为是主流。这是因为在48V引入期间,与现有12V服务器的兼容性和稳定的零部件供应受到人们的重视。实现兼容性最简单的方法是将一个小型48V-12V转换板追加安装到现有的12V服务器板上。
关于电源效率,电源会在二级中增加,如果保持以往的水平则将大幅度恶化,但现正采取以下措施来维持整体效率。

・电源本身的改善  …
通过利用不稳定输出、谐振开关等方式(第一级)或借助低输入电压(第二级)实现的高效率化
・电压、路径的调整 …
通过优化各电源的配电电压和路径长度来减少总配电损耗

高性能、高品质大容量电容器(*1)的重要性

为了使这样的二级电源构成具有高可靠性和稳定性,选定1st stage和2nd stage的DC/DC转换器的最佳零部件十分重要。
下面列出分别适合于48V供电的1st stage和2nd stage的输入输出部的松下电器制造的电容器。(图7、表2)

二级电源构成板示意图
图7 二级电源构成板示意图
部位 大容量电容器标准额定值 商品 设计者之声
(1)
1st stage输入
(40-60V)
47μF
~100μF
Aluminum
Electrolytic
Capacitors
支撑低成本、大容量 (有因液体电解质引起的温度特性和容量损失担忧)。
OS-CON
通过全固体支持温度稳定性和长寿命、可靠性 (重视可靠性时不可使用E-cap)。
Hybrid
通过半固体支持E-cap和OS-CON的中间特征。
(2)
1st stage输出/
2nd stage输入
(5-15V)
100μF
~470μF
OS-CON
大容量+高纹波电流特性对大电流变动备份和电源平滑有效。
POSCAP
2mm的零部件高度对需要贴装于基板背面的高密度服务器、加速卡等大电流变动备份有效。
(3)
2nd stage输出
(<1.xV)
220μF
~1000μF
SP-Cap
大容量+低ESR特性对大电流变动备份有效。许多情况下输出基板表面的面积余量少,可贴装于背面2mm的零部件高度是有效的。
POSCAP
小型、大容量,最适合于高密度服务器和加速卡等设备。
表2 最适合于二级电源构成的电容器一览

松下电器制造的导电性聚合物电容器作为重要的大容量电容器(*1)被认为对电源稳定化有效。

下次我们将更加详细地解说在1st stage和2nd stage的DC/DC转换器输入输出部各自的部位选定电容器时应予以考虑的要点。

(*1) 大容量电容器
在电源电路的各部位具有最大电容的电容器。与电容更小的电容器并联使用。当电流因输入、输出的影响而增大或减小时,主要是供给或吸收电流,并抑制电压变动。

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