AI数据中心存在闲置电力难题

冗余供电保障系统正常运行时间，但同时也造成容量闲置，本可承载更多硬件设备。

核心要点▼

1. 电路设计能够降低功耗，但第三方 IP 核需要格外关注，因为集成方并未参与其设计。

2. 各颗芯片可以运行在适配自身实时工况的电压下，部分芯片得以以更低功耗工作。

3. 当某一路供电发生故障时，数据中心可调用预留电力，同时降负载运行，以此提升电力利用率。

数据中心是众所周知的能耗大户。一方面行业持续降低电子设备功耗，避免总功耗持续膨胀；另一方面，为实现冗余备份，数据中心实际供电容量会高于标称所需容量。

当前行业聚焦数据中心电力问题，两大方向正在交汇：降低器件功耗，同时最大化电力利用率。

“闲置功耗是系统中最大的电力消耗项。” 楷登电子（Cadence）设计 IP 产品营销副总裁阿里夫・汗（Arif Khan）表示。闲置功耗产生的原因，一部分来自部分服务器运行电压高于实际所需，另一部分则是电力被预留备用。

行业其他从业者也认同这一观点，闲置电力（也叫搁浅电力 / 滞留电力）的影响正日益凸显。 “现在客户会更公开地讨论这个问题，尤其是大型数据中心，微小的效率损耗累积起来会非常可观。” 澜起（Rambus）院士、杰出发明家史蒂文・吴（Steven Woo）说道。 “工作负载对资源的消耗模式各不相同，时而资源过度配置，时而资源配置不足。如果数据中心按照所有资源接近满负载来规划，资源过度配置就会产生闲置电力；而资源配置不足时，部分硬件满载、其余硬件空闲，同样会带来闲置电力。”

可以通过智能电源架构、性能监测与电压调优实现降功耗，把电压调整到刚好满足性能的最低水平。降功耗虽然提升了能效，却会进一步增大未被使用的备用电力，拉低电力利用率。新一代技术的目标，就是把这部分富余电力利用起来。

从节能架构入手

任何没有实际业务输出、却仍在接收时钟信号并消耗电能的闲置电路，都会损害电源效率。绝大多数自研定制设计都会针对该问题做功耗优化。

IP 核及其接口是闲置功耗的一大来源，这部分细节不在芯片集成方的掌控范围内。IP 属于外购模块，集成方必须充分掌握 IP 自带的各类功耗优化手段，并加以利用。

“站在 IP 的角度，功耗管理很大程度取决于哪些接口休眠、哪些接口唤醒、启用哪些通道。” 阿里夫・汗称。 随着传输速率提升，接口功耗水涨船高，因此业界大量采用功耗优化状态、功耗感知事务机制。如今已经具备多级待机模式，可供权衡取舍的选项变多，但这需要操作系统和编排逻辑理解各类功耗选项。举个例子，系统同时跑多个任务，即便某一个任务不用该接口，别的任务可能还在使用，接口就只能降到所有任务共同允许的最低功耗档位。

部分 IP 的多余功能可以编译裁剪，例如带宽过宽的接口，直接不在硅片上实现该功能。但多数功能会被保留，IP 一般会支持切换电源状态、调节时钟频率、调整供电电压。

以 AMBA 总线为例，它提供 LPI 低功耗接口端口管理接口功耗；Q 通道用于简易时钟门控与电源域控制；P 通道用于多电源状态下的高级电源管理。不同通道的管控粒度决定了可控制的电路规模。

时钟门控可以切断电路时钟，但保持供电不断；电源门控则会直接断电，但断电与重新上电都需要消耗更长时间。

“我们需要把电路尽可能降到更低功耗。” 阿里夫・汗说，“但另一面还要考虑恢复工作，需要权衡唤醒恢复时延与功耗收益。”

动态电压频率调节（DVFS）是另一种成熟的运行状态调优手段，系统会根据温度等条件切换频率、电压。芯片也可接收外部信号，由软件等外部单元根据芯片外部条件设定运行状态。

在各类 IP 中，片上网络（NoC）的影响尤为突出。 “NoC 是 SoC 的通信主干，必须搭建完善的电源管理方案，才能实现整颗芯片节电。”SignatureIP 销售与业务发展高级副总裁 Ewald Liess 表示。该公司在 AMBA 接口上大量使用时钟门控与电源状态管理。 “每个集群内部时钟独立驱动；典型 5+5 节点配置包含 10 组独立门控时钟。NoC 每个节点都拥有电源状态，休眠 / 运行事件通过 P 通道完成协商。”

每颗芯片工况都存在个体差异

理想情况下，电源架构对芯片内各个单元的影响应当完全均等。但现实中不同芯片本身运行特性存在差异；即便是同一颗芯片，使用数年之后，工况也会和全新状态不一样。上面提到的架构与电路设计手段，都必须预留保护裕量，保证芯片全生命周期内都可以稳定工作。

“功耗和电压的平方成正比。”proteanTecs 系统副总裁诺姆・布鲁萨德（Noam Brousard）说道，“但器件施加的电压，是按照最坏运行工况标定的。高负载、恶劣系统与环境条件、器件长期老化损耗，都需要更高电压维持性能。但这些极端条件极少会同时持续出现。”

芯片老化就是典型案例。硅器件损耗过去长期被行业忽视，如今成为重要性能考量。芯片必须预留裕量，保证刚出厂和达到设计寿命末期都可以正常工作。供电电压需要按照老化后的工况设置，这个电压通常高于全新芯片的实际需求。

“举例来说，老化需要电压补偿，但芯片刚上电、还没有产生老化效应的时候，并不需要这么高电压。” 布鲁萨德表示，“而且就算器件温度升高，当下实际运行负载可能并没有那么严苛。”

片内监测技术可以给电路运行带来更大灵活性。芯片在测试阶段完成特性标定，确定自身所需电压。实时监测系统就可以在保证性能前提下降低供电电压。 “我们可以实时测量芯片内部逻辑距离失效的实际裕度。” 布鲁萨德介绍，“各类损耗效应叠加，最终才会要求抬高电压以满足规格。实时掌握这些裕度，系统就可以瞬时调整电压，适配芯片当下状态。不需要裕量的时候就把它释放掉，芯片就能以显著更低的电压运行，同时满足工作需求；只有当需要高电压的工况出现时，才把电压抬升。”

降功耗固然有用，但部分场景又需要提升功耗。“在低裕度下运行，一旦运行或环境条件突变，就会立刻需要更高工作电压。” 布鲁萨德说，“比如负载突变带来动态电压跌落（Ldi/dt），会威胁数字逻辑时序完整性。”

针对这类风险，proteanTecs 内置硬件安全防护机制，主机系统可以在几个时钟周期内识别裕度骤降并做处置，例如分频、降频，把电压调回安全区间之后再恢复正常时钟。

持续监测芯片老化同样关键：初始压低电压省电，在芯片生命周期内随老化逐步抬升电压。

数据中心刻意预留超出实际使用的电力

上述各类节能手段可以降低数据中心总能耗，这固然是好事，但随之而来的是利用率问题。数据中心会预先配置一定供电容量；能效提升的另一面就是利用率下降。既然电力没有用完，理论上就可以新增更多设备。新增硬件会带来资本投入，但相比新建数据中心、或者在现有站点扩容供电，成本还是低得多。

“获取电力资源，是制约数据中心运营商业务扩张最大的因素之一。”Utilidata 首席技术官 Marissa Hummon 表示，“想要从变电站新拉输电线路，成本高、周期漫长，还要办理大量审批合规手续；就算站内自建发电设施，审批也要耗费很久。”

节能并不是电力闲置的主因。数据中心首要目标是可靠性，杜绝停机。供电线路存在故障风险，因此会做超额配置，故障发生后可以由正常线路接管供电。

常见架构包括 3‑4（俗称 “三供四备”）：三路满负载供电，再加一路备份；四路线路均运行在 75% 负载；任意一路故障，剩余三路可以承载全部业务。其他方案包括 4+2（2N 架构的一种）、N+1（多出一路备份供电）。

“英伟达会推荐三供四备或者 N+1 架构，而大量传统老旧数据中心采用完整 2N 架构。”Hummon 介绍，“两路供电线路，各承载 50% 负载；任意一路故障，另一路接管全部业务。”

即便到现在，冗余备份电力依旧处于闲置状态。 “数据中心付了这部分容量的费用，电力公司也投入资本搭建配套供电设施，但闲置容量对应的千瓦时电量并没有被消耗。”Hummon 说道，“例如站点总供电规划 2GW，采用 2N 架构，实际可用算力容量只按 1GW 来规划。而这 1GW 内部，一般目标利用率 70‑80%。综合下来，2GW 总供电里，真正给到计算基础设施的大约只有三分之一。”

但如果平时就把备用电力用上，一旦发生线路故障，剩余供电线路的总功率就不足以承载全部业务。以 3+1 架构举例，四路都跑到 90% 负载，一路故障后，剩下三路要承担 120% 的额定负载，必然会出现业务被限功率。行业希望可以在正常工况充分利用富余电力，故障发生时再有序降载。

系统电力监测

要实现该目标，可行思路是实时监测电力；一旦某路供电失效，就降业务负载，适配剩余供电能力。但实现难度很高：正在运行的任务需要做任务迁出或者设置检查点，避免掉电失效。短期也可以通过降低电压、降时钟频率，把整体功耗压降到故障后供电可支撑的水平。这需要实时监测与快速响应，正是 Utilidata 解决的方向。

图 1：用于电力感知与故障切换管理处理器，来源：Utilidata

“断电发生前，系统会出现可观测瞬态特征，可以预判故障。”Hummon 解释，“预判到风险之后，向具备弹性伸缩能力的任务下发降载信号。2N 架构原本两路各跑 70% 负载，故障发生就需要削减 20% 功耗，回落到 50% 负载。”

该公司有两套控制环路。 第一套面向任务调度器。“AI 工作负载动态性极强，调度需要全局掌握电力、内存、算力资源。”Hummon 称，“我们向调度器输出信号，调整 GPU 之间的任务分配策略。”

这套环路时间尺度较长，任务启停、迁出逻辑复杂。“我们并不直接调度或停止任务；而是向每个机柜 / 机排 / 机房输出电力容量预测，间接影响调度器。调度器以秒级运行，迁移推理任务需要排空正在处理的请求，再把模型权重加载到其他硬件。”

第二套环路响应更快，管控本地硬件功耗，可直接调节处理器芯片功耗。 “第二条控制环路直连服务器。对接 DVFS 信号（也叫功耗封顶），实现毫秒级功耗调整。”

DVFS 控制也不是直接改写寄存器。“我们基于标准服务器接口读取状态并下发动作。”Hummon 解释，“英伟达管理库获取 GPU 功耗信息；BMC 基板管理控制器拿到服务器整机功耗与遥测数据；通过这些控制面，作用到执行 DVFS 的固件。普通服务器方案只能估算机柜总交流功耗，而我们以每秒百万次采样直接实测机柜功耗，消除估算带来的误差。”

这套技术可以让正常工况充分使用预留电力；故障到来时有序降负载。“依托这套动态系统，四路供电甚至可以跑到 95%‑98% 负载。”

如此一来，数据中心就可以部署更多服务器。故障导致供电降级的时间希望做到短且低频，相当于解锁可观的新增算力容量。2N 架构下，可用算力近乎翻倍。

电源控制同时要考虑安全风险

这套动态能力如果防护不到位，会带来新的系统入侵攻击面。 “安全性从项目之初就是硬性设计要求。”Hummon 表示，“我们遵循 SOC2 服务组织控制规范，Karman 监测系统正在做 IEC 62443‑4‑2 工业控制系统安全标准认证。AI 数据中心每台服务器 BMC 本身就支持功耗封顶，每块 GPU 也向高权限进程开放功耗限制接口。大规模动态调功耗的硬件基础早已存在，并且接入网络。我们的技术把原本分散的能力做协同，因此把控制单元视作高价值攻击目标。通过安全启动、硬件信任根，只允许经过我方签名的固件运行；所有对外接口双向认证，杜绝未授权指令操控功耗。整套控制环路完全本地运行，不依赖公网互联网连接。”

能效与利用率的交汇点

直观来看，每一颗器件都省电，整体总能耗就会下降。但现实并非如此。 器件节电直接拉低电力利用率；利用率变低，意味着还有电力余量可以承接更多业务，创造更多营收。

芯片设计师持续用更少能耗实现更多计算；而数据中心运营商现在有机会，在现有供电容量内承载更多业务，当然要受物理机房空间约束。这种趋势还会持续，短时间内数据中心不会缺少待处理的业务负载。