高性能计算@@（HPC）的@@进步推动了计算密集型应用的@@创新@@，比如@@5G通信@@、航天发射@@、自动驾驶汽车等@@@@。与@@此同时@@@@，数据@@中心@@的@@能耗也在@@持续增加@@。
这其中@@的@@大部分功率@@主要供给基础@@CPU，以@@确保其能高效率的@@工作@@。例如@@，1U AMD Opteron或@@Intel Xeon服务器的@@功耗大约为@@300~400kW。一个@@机架上@@如果有@@@@24台这样的@@服务器@@，总功率@@将在@@@@7.2kW到@@9.6kW之间@@。而@@刀片服务器的@@部署更是加剧了这一问题@@。以@@Dell PowerEdge为例@@，42U机柜可容纳@@60个@@刀片服务器@@（每个@@@@7U托盘有@@@@10个@@刀片服务器@@），每个@@@@托盘的@@功率@@总计达到@@@@惊人的@@@@5.066kW，每个@@@@机架合计@@30.4kW。
就数据@@中心@@而@@言@@，人工智能@@（AI）、机器学习和@@深度学习的@@加入使机架功率@@迅速飙升了两倍@@@@，达到@@@@20千瓦范围@@；超级计算机服务器机架现在@@@@接近@@100千瓦或@@更高@@。随着计算环境越来越密集@@，数据@@中心@@的@@电源管理@@变得越来越重要@@。
为什么需要@@48V电源架构@@？
当@@前@@，为数据@@中心@@提供@@电力的@@配电@@网@@@@（PDN）广泛采用@@的@@是传统的@@@@@@12V电源架构@@。如今@@的@@@@AI加速模块的@@功率@@水平早已超过@@750W，电流更是高达@@1,000A（在@@0.75V内核电压下@@）。当@@单个@@主板上@@有@@多达@@@@8个@@此类模块时@@@@，其额定功率@@和@@热管理工作将会十分惊人@@。在@@功率@@损耗@@和@@热管理方面@@，通常有@@两种方法可以@@改善@@PDN对电力系统性能的@@影响@@：
选项一@@
使用更大尺寸的@@电缆@@、连接器@@和@@更厚的@@主板电源板以@@降低@@PDN电阻@@；
选项二@@
提高@@PDN电压以@@降低给定功率@@传输的@@电流@@，这样可以@@降低电缆@@、连接器@@、主板铜平面尺寸及其相关的@@尺寸@@、成本和@@重量@@。
多年@@来@@，工程师们一直使用@@“选项一@@”来兼容几十年@@来建立的@@单相交流和@@@@12V直流@@-直流@@（DC-DC）转换器和@@调节器的@@大型生态系统@@。然而@@@@，将增加的@@功率@@分配给多个@@服务器处理会造成更大的@@功率@@损失@@，因此@@，近年@@来现代电力设计@@越来越多地开始使用@@“选项二@@”，即采用@@更高的@@@@PDN电压来降低功率@@损耗@@@@。为此@@，谷歌在@@@@2016年@@的@@@@OCP峰会上@@提出了@@@@48V机架电源架构@@@@，用以@@取代当@@时@@普遍应用的@@@@12V。
相比@@12V电源架构@@，采用@@48V直流@@馈电的@@优势非常明显@@。当@@48V直流@@电源被施加到@@每个@@@@计算主板电源的@@输入@@端后@@，在@@传输@@12kW功率@@时@@@@，12V 1,000A此时@@就相当@@于@@48V 250A，流经电源母线的@@电流仅为原来的@@@@1/4。从@@配电@@功率@@损耗@@@@（P＝I2R）的@@角度来看@@，二者也有@@很大的@@差异@@。假设分配路径的@@电阻@@为@@0.1mΩ，12V的@@分配损耗@@为@@@@100W，但在@@@@48V的@@情况下@@，损耗@@为@@6.25W，这里有@@@@16倍@@的@@差值@@。也就是说@@，相对@@12V的@@配电@@方案@@，48V方案可将@@总功率@@损耗@@降低@@16倍@@，整个@@系统的@@转换效率提升@@30%。
图@@1：12V和@@48V直流@@供电@@二者配电@@损耗@@比较@@（图@@源@@：Panasonic）
图@@1比较形象地说明了@@12V和@@48V电源架构@@的@@差异@@。从@@中我们可以@@看出@@，当@@每个@@@@机架的@@功率@@超过@@10kW时@@，传统的@@@@12V DC馈电产生的@@功率@@分配损耗@@被认为达到@@@@了不可容忍的@@地步@@，而@@48V DC馈电的@@情况要好得多@@，非常有@@助于数据@@中心@@的@@功率@@节省@@。
数据@@中心@@电源产品的@@选择@@
目前@@，正在@@运行的@@数据@@@@中心@@@@PDN很大一部分是针对@@从@@@@12V母线轨至@@@@Vcore的@@单级转换进行设计@@和@@优化的@@@@。采用@@全新的@@@@48V配电@@架构虽然能显著降低@@I2R带来的@@损耗@@@@，但工程师的@@系统设计@@工作却有@@着诸多挑战@@。下面是几个@@性能好@@，且简单@@、易入手的@@设计@@方案和@@产品@@。
Vicor 48V电源架构@@生态系统@@
随着处理复杂@@AI功能的@@@@ASIC和@@GPU的@@出现@@，处理器的@@功耗急剧增加@@。而@@电力传输和@@能效正在@@成为大规模计算系统中的@@核心关注点@@。为此@@，Vicor公司@@准备@@了@@系列化的@@产品组合@@，以@@实现交流或@@高压配电@@和@@@@48V直接到@@负载转换的@@高效解决方案@@@@，其中@@涉及的@@产品均具有@@高密度@@、高效率和@@高性价比@@，满足大型计算系统中@@CPU、GPU或@@ASIC的@@功率@@需求@@。
针对@@前端解决方案@@@@，Vicor的@@母线转换器模块@@（BCM）可将@@HVDC转换为隔离式@@SELV输出@@，以@@此实现@@48V配电@@，并提供@@集成@@PMBus控制@@、EMI滤波和@@瞬态保护@@。在@@封装@@上@@@@，BCM有@@ChiP或@@Vicor集成适配器@@（VIA）两种规格@@，可简化冷却系统的@@设计@@@@。
现在@@@@，这个@@系列有@@@@73款@@BCM产品可供选择@@，从@@800V扩展到@@@@48V输入@@，具有@@各种@@K因数@@。以@@BCM6123TD1E5135T01为例@@，这是一款@@高效的@@母线转换器@@，在@@260至@@410VDC的@@母线上@@运行@@，提供@@32.5至@@51.3VDC的@@隔离二次电压@@。产品具有@@低噪声@@、快速瞬态响应以@@及出色的@@效率和@@功率@@密度@@，同时@@顶部和@@底部的@@热阻抗也非常低@@。
图@@2：Vicor公司@@BCM6123高效母线转换产品@@（图@@源@@：Vicor）
针对@@处理器供电@@方案@@@@，Vicor提出了@@“最后一英寸@@”供电@@方案@@，它采用@@@@的@@合封电源技术@@克服了为高功率@@处理器进行大电流传输造成的@@障碍@@，可提供@@更高的@@峰值以@@及超过@@1000A的@@平均电流@@，同时@@将主板铜箔连接电阻@@和@@处理器连接电阻@@锐减@@50倍@@。它还用分比式电源架构@@@@（FPA）取代了传统多相位稳压器@@，有@@效提高@@了电源功率@@密度和@@传输效率@@。
合封电源技术@@中的@@横向供电@@@@（LPD）方案将@@模块化@@电流倍@@增器@@（MCM）布置在@@基板上@@@@，不仅降低了@@PDN损耗@@，还能减少电源所需的@@处理器基板@@BGA引脚@@。在@@48V AI系统应用中@@，Vicor的@@LPD占据@@了很高的@@市场份额@@。对于有@@极高电流需求的@@处理器@@，Vicor的@@合封电源垂直供电@@@@（VPD）方案将@@MCM直接部署在@@处理器下方@@，相比@@LPD，PDN电阻@@还能再降@@10倍@@。
开放式计算项目@@（OCP）联盟不仅为分布式@@48V服务器背板架构带来了@@开放式机架标准@@V2.2，还为@@AI开放式加速器模块@@(OAM)带来了@@48V标准工作电压@@，这些标准要求@@48V至@@12V与@@12V至@@48V要能够兼容@@。为了实现@@12V与@@48V的@@混合方案@@，Vicor准备@@了@@NBM2317双向转换解决方案@@@@，该转换器可实现双向的@@@@48V/12V高效转换@@。
在@@降压工作模式下使用@@K:1/4，而@@在@@升压模式下则使用@@K:4/1，两个@@方向均提供@@效率相同的@@处理能力@@。无论是将传统板集成到@@@@48V基础设施@@中@@，或@@将新推出的@@@@GPU集成到@@传统@@12V机架中@@，都可以@@利用@@NBM2317轻松完成@@，增加了云数据@@中心@@提供@@商在@@方案部署上@@的@@灵活性@@。
图@@3：48V/12V双向转换器@@NBM2317（图@@源@@：Vicor）
英飞凌@@48V供电@@IBC解决方案@@
在@@新兴的@@@@48V电力转换生态系统中@@，英飞凌@@为数据@@中心@@和@@@@AI应用提供@@了全套解决方案@@@@，并以@@较高的@@功率@@密度实现从@@@@48V到@@负载点的@@高效转换@@@@。针对@@48V供电@@架构@@，英飞凌@@推出了@@全新的@@中间总线转换器@@（IBC）解决方案@@，即所谓的@@混合开关电容@@@@（HSC）和@@零电压开关@@型开关电容@@（ZSC）。
图@@4：英飞凌@@48V中间总线转换器解决方案@@@@（图@@源@@：英飞凌@@）
英飞凌@@方案中的@@@@HSC由@@6个@@MOSFET组成@@（Q1~Q6），分为两条支路并通过两个@@飞跨电容和@@一个@@称为多抽头自耦变压器@@（MTA）的@@磁性器件连接@@。其中@@，MTA由@@4个@@绕组串联而@@成@@，共用同一磁芯@@。借助其励磁电感@@，零电压开关@@（ZVS）操作得以@@实现高频运行@@。
图@@5：混合开关电容@@（HSC）内部结构@@（图@@源@@：英飞凌@@）
HSC具备@@较高的@@功率@@密度和@@效率@@，关键因素是采用@@了品质因数@@出色的@@低额定电压@@MOSFET。例如@@，在@@8:1配置中@@，电压轨为@@48V的@@HSC可在@@@@Q3和@@Q6上@@使用额定电压为@@25V的@@MOSFET。IQE006NE2LM5就是一款@@@@OptiMOS 25V低压功率@@@@MOSFET，它采用@@@@PQFN3.3x3.3封装@@，易于@@PCB布线@@，全新的@@源极底置封装@@将当@@前@@标准@@RDS(on)降低了约@@30%。
图@@6：采用@@PQFN3.3x3.3封装@@的@@@@OptiMOS 25V低压功率@@@@MOSFET（图@@源@@：英飞凌@@）
针对@@ZSC拓扑@@，英飞凌@@推出了@@48V（或@@54V）输入@@系统两级架构@@，主要用于高性能处理器@@（CPU、GPU、SoC、ASIC等@@）供电@@。该架构可在@@@@不影响性能的@@前提下@@，面向不同功率@@水平进行灵活实施和@@扩展@@。英飞凌@@专有@@的@@零电压开关@@型@@ZSC通过功率@@器件的@@软开关操作实现了电容式能量传输@@，显著提高@@了@@48V至@@中间总线电压的@@效率和@@功率@@密度@@。ZSC可轻松实现@@“向下兼容@@”或@@“模块化@@”设计@@。ZSC的@@双向能量传输能力为电源设计@@人员带来了@@极高的@@灵活度@@，传统的@@@@12V系统可以@@轻松@@、安全地过渡到@@@@48V设施@@。ZSC拓扑@@涉及的@@主要产品有@@@@：OptiMOS 5/6功率@@MOSFET、EiceDRIVER栅极驱动器以@@及@@XMC系列微控制@@器等@@@@。
本文小结@@
人工智能@@和@@云应用正在@@推动先进硬件的@@采用@@@@，包括微处理器@@、GPU、FPGA和@@需要更高功率@@级别的@@@@ASIC。包括英特尔的@@@@“Sky Lake”和@@AMD的@@“Rome”在@@内的@@高级处理器在@@性能提升的@@同时@@@@，功耗也升至@@@@230-300W，英伟达的@@@@GPU功耗更将攀升到@@@@600W左右@@。
在@@数据@@中心@@的@@发展过程中@@，一个@@十分严峻的@@问题就是能耗的@@不断增加@@。据@@统计@@，目前@@运营数据@@中心@@的@@能源已经占到@@全球电力消耗的@@@@3%还多@@。仅以@@企业级数据@@中心@@为例@@@@，它每年@@消耗大约@@100兆瓦的@@电力@@，相当@@于大约@@8万户家庭的@@能源需求@@。可以@@说@@，电力成本已成数据@@中心@@主要的@@运营支出@@。因此@@，很大限度地提高@@电源效率是数据@@中心@@建设的@@当@@务之急@@。
OCP试图@@通过定义电源架构@@的@@新标准来应对此类挑战@@，具体步骤就是将中间总线电压从@@传统的@@@@@@12V提高@@至@@@@48V。这一举措可显著降低传输损耗@@@@，将电力更有@@效地传输到@@有@@效负载@@，比如@@AI ASIC/GPU/CPU或@@SOC上@@。当@@然@@，转换效率只是决定数据@@中心@@电力使用方式的@@一个@@要素@@，其他有@@利于@@48V而@@不是@@12V的@@因素还包括@@，相同功率@@水平下电流消耗减少@@4倍@@，配电@@损耗@@降低@@16倍@@。这些进步意味着系统将拥有@@更好的@@热性能@@，因此@@也同步降低了数据@@中心@@的@@冷却要求@@，同时@@还有@@减少电源母线尺寸等@@好处@@。
2021年@@底的@@数据@@@@显示@@，全球约有@@@@15%的@@数据@@@@中心@@已经采用@@@@48V电源架构@@，其余数据@@中心@@仍继续采用@@@@12V电源架构@@。如今@@，这一转变正在@@加速@@，据@@Advanced Energy估计@@，到@@本世纪中叶@@，多达@@50%的@@数据@@@@中心@@将采用@@@@48V电源架构@@。
来自@@Market Watch的@@数据@@@@，2022年@@，全球电力转换市场规模约为@@292亿美元@@，预计在@@预测期内将以@@@@5.15%的@@复合年@@增长率增长@@，到@@2028年@@将达到@@@@@@395亿美元@@左右@@@@。为了拥抱这一新趋势@@，很多企业都推出了@@48V电力架构生态系统@@，市场上@@可选择的@@产品很多@@，设计@@工程师也因此@@有@@了更多的@@选择@@。
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