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？～

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

支撑5G社会的数据中心的进化
数据中心面临的电力课题
数据中心内48V直流供电的现状
1. 48V直流供电的好处
2. 电源构成的选择
高性能、高品质大容量电容器(*1)的重要性
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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）

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)

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)

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

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）

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)

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）

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。
(2) 1st stage输出/ 2nd stage输入 (5-15V)	100μF ～470μF	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。
(3) 2nd stage输出 (<1.xV)	220μF ～1000μF	POSCAP	小型、大容量，最适合于高密度服务器和加速卡等设备。