提升“云”端电源效率

摘要：数据中心虽然拥有优秀的计算能力，但是同时，其耗电量也很惊人。提升云端的电源效率已经成为当下面临的一个挑战。本文介绍了数据中心的发展现状以及提升其电源系统能力、降低能耗的几种方式。

　　移动互联网和智能手机显著地改变了我们在工作和生活中使用和交流信息的方式。而存储服务器，即通常所称的“云”，日益成为大多数主流应用的部署平台。它们利用互联网和极其强大的资源来整合和处理分布广泛的数据，并快速响应用户的请求。这向客户提供了实时在线和始终在线(always-on)的响应、无所不在地接入和显著降低资本投资的承诺。云服务器是我们日常活动不可缺少的一部分，无论是消费类网站、视频流应用、作为物联网(IoT)基础的工业机对机(M2M)活动，还是诸如SAP等企业解决方案都离不开这些服务器的支持。

云的成长

　　每当我们进行在线搜索、观看视频，或在Facebook、微博、微信上发布视频和照片时，相关公司管理的数据中心要执行数十亿次运算并消耗数百万瓦电力。而受到移动计算的日益普及等因素的推动，服务器容量更以非同寻常的速度增加。据估计，云计算市场规模已从2006年的基本为0增至2014年的580亿美元;据市场调研机构Forrester Research预测，公共云(不包括专属(captive)数据中心)的规模将在2020年达到1910亿美元。

　　云计算营收增长的原因包括由于技术成熟和竞争加剧所导致的价格下降。更令人惊讶的是云的原始计算能力的增长。据估计，领先云服务提供商AWS已在全球部署了超过280万台服务器。在架构上，服务器也取得了显著的进化，转向超大规模和多线程结构;处理器内核的原始吞吐量也得到显著提升。更多设计技术，例如能够动态地改变时钟速度和供电电压，以及改变同时运行的内核数目，都有助于更好地对计算负载需求进行动态响应。不过这也显著增加了电源功率输出要求的复杂性。

不断增加的耗电量

　　由于服务器数量的迅猛增加，其能耗也随之大幅上升。要取得准确的耗电量信息并不容易，但我们知道，一个功率消耗3MW的典型数据中心可容纳超过8,000台服务器。谷歌公司在2011年估计，单单其数据中心就需要连续消耗约260MW的电力，相当于一座最先进核能发电厂输出电力的25%。为了缓解电力传输挑战，全世界的绝大多数数据中心都选址于邻近大型发电厂，如哥伦比亚河水力发电系统等。根据全球2010年的统计数字，数据中心耗电量为全球耗电量的1%～1.5%，相当于巴西的全年总耗电量。在美国，数据中心耗电量接近全国总耗电量的2%，相当于新泽西州的总耗电量。也就是说，到2010年底，数据中心给美国电网增加了整整一个新泽西州的耗电量，而且其耗电量还在增加。

　　这种大规模的耗电量的增加具有重大的经济影响。虽然处理器核心可以提供更大的处理能力，遵循摩尔定律并进行架构改进，但其工作电压并没能快速跟上，以降低总耗电量。数据中心主要有两种用电方式：一是提供计算机所需的电能，二是对其进行充分冷却，使系统保持在正常工作温度范围之内。因此，输电效率的小幅提升也对改善效益具有显著影响。除了减少电费，高效的电力输送还可在既定预算下增加数据中心容量——鉴于装机容量保持着每年两位数的快速增长，所以这是一个非常重要的考虑事项。

电源分配

　　最先进的数据中心电源分配由一系列步降电压和紧随其后的负载点电力输送组成，原始效率是最大的挑战，但电源系统还能通过几种方式提升能力，以帮助降低能耗。

　　多相工作：最新一代基础设施电源转换器支持多相工作方式，并将从轻负载到峰值负载的电力输送保持在接近峰值效率的水平。它们通过并联多个输电相来达到接近峰值效率，由控制器根据耗电量来调节这些相位。图1显示了一种典型的多相系统，其中稳压器负责调节每个电感，以提供可变电流值。多相工作可弥补单相转换器的一个重要缺点，即效率在额定负载下达到峰值，但在极高负载时下降。图2显示了多相系统如何根据负载来智能地选择相数。在很大工作负载范围内使效率曲线平坦化，可免除数据中心规划员在对典型负载和最大负载进行优化之间进行选择。

　　并联电源通道：将处理器核心分成多个“电源孤岛(power island)”，可使系统的不同构成部分能够在其不使用时断电。电力输送系统现在能满足提供多个同步电源轨的需要。

　　通信：目前的处理器核心通过数字总线(通常为PMBus)将预期的耗电量传达给电源转换器。负载变化可能是增加的额外处理器核心的函数、处理器时钟速度的变化或对软件正在处理特别密集的指令序列的认知。借助对预期负载的洞察，控制器能够使电源效率在负载范围内保持最大化。管理能耗持续时间及水平的能力为服务提供商带来了另一大优势：它们能够使用系统活动的持续时间和强度来计算每个处理任务的账单。

下一步是什么?

　　在不久的将来，多相控制器将提供全数字控制回路，并集成时序控制、遥测和先进的故障处理功能。它们还将提供众多处理器接口选项，并支持带有集成驱动器和同步FET的智能功率级。电源设计师将能使用软件GUI(如Intersil的PowerNavigator)快速配置、确认和监测其电源的所有转换及工作参数。PowerNavigator还能只需点击几下鼠标就能改变任何参数、遥测或电源轨时序控制。随着集成了时序控制和其他新特性的数字多相控制器的上市，使用多个电源的系统将能以正确的顺序启动电压轨。系统电源可进行预分配，电压转换器能为负载提供合适的电力供应，并满足效率要求。这些都是在下一代数据中心“云”系统中实现数字控制的显著优点。

结论

　　“云”计算具有绿色环保的特性。虽然消耗大量能源，但计算任务在云端的高效整合(采用一些迄今最强大的计算系统)仍有望降低跨系统执行计算任务所需的总能耗。数据中心不断提高的电力需求也为半导体制造商提供了创新和突破的重要机遇。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。