快速增长的数字宇宙中的服务器电源

　　摘要：今天，服务器群的电力需求从早年的1kW/机架增加到了20kW。数据流量趋势正在加速，预计在不久的将来需求将达到30kW/机架。48V DC配电提供了一个可以随着服务器部署规模提升的高功率密度。

　　1 增长的服务器密度

　　到2020年末，数字宇宙(一年内创建、复制和消耗的所有数字数据的度量单位)将达到40泽字节(40×10²¹)，这相当于在2010年基础上增长了50倍^[1]。

　　为了支持这一空前的流量增长。服务器都采用了多核处理器，并增加了每个板的处理器数量。整体机架密度也已经提高，从1996年的每机架7台服务器达到2010年的每机架20台服务器。机架功率也以同种方式增加了，从2000年的千瓦/机架达到2007年的10kW/机架，今天许多新安装的设备超过了20kW/机架。

　　对于新设备和那些正在升级的服务器，这些趋势已经很难继续用使用单相AC-DC转换器的12V电压在机架级分配电能。

　　2 12V配电的挑战

　　基于12V配电的典型服务器机架使用一个电力输送单元(PDU)，包括EMI电源滤波器和一个有480V三相输入和277V单相输出的Y型配置变压器，它为机架的AC-DC转换器供电。要为一个10kW机架供电，俗称银盒的AC/DC转换器必须为其IT负载组合提供超过800A功率。原理图示例如图1所示。

　　这些银盒独立工作，无需同步，导致其输入电流波形出现了更丰富的谐波含量。转换器的功率因数校正(PFC)电路可正确输入相对于输入电压波形的电流波形，但随着银盒制造商在努力提高功率转换效率，AC线路上的谐波含量也在不断增加^[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold认证的银盒可提供92%的峰值效率，产生其输入电流波形约5%的总谐波失真(THD)(相对于基波频率)。符合80-Plus Titanium认证的AC/DC转换器可提供96%的峰值效率，产生约12%的总谐波失真。

　　此外，银盒是异步操作，因此所产生的谐波电流与上游AC线相互作用，且通常在PDU或不间断电源(UPS)中的三相变压器内组合，从而产生更宽的中、低频谐波(几Hz到几kHz)。

　　最近的研究^[5-6]表明，当一个线路变压器的电流波形的总谐波失真超过5%时，每增加2%的总谐波失真可产生额外1%的总功率损耗，通常发生在PDU(或UPS，或两者)中。对于一个为80-Plus Titanium AC-DC转换器供电的10kW系统，正是由于电流总谐波失真的缘故，至少相当于PDU耗散了350W。系统设计人员必须估计PDU的大小，以适应额外损耗，从而增加了机架的安装成本，并影响整个系统的可靠性。

　　最终，随着机架功率的持续增加，12V配电开始出现更基本的问题。由于个别主板增加了内核、内存和I/O，细分(subdivide)电源的能力变得很有限，而实际和经济规模的母线和电源输入连接器的电流最大值会对整体机架密度产生负面的影响。在20kW/机柜中，12V电源架必须提供净1.7kA，而机架供电要求并没有停滞不前。