数字电源转换解决数据中心的功耗问题

作者：ColdWatt 公司营销总监 Lakshmi Mandyam

在如今这个以内容为主的社会，对于高性能计算、联网和存储马力的需求让 IT 设备的功耗达到了前所未有的水平。因此，由于功耗而产生的运营支出以及相应的散热要求，也越来越脱离控制。企业开始感觉经济紧张，而环境保护问题也让政府将原本只面向能源星法案扩大到企业设备。

这场“绿色 IT”行动让 IT 经理们将低功耗作为采购产品的第一标准。OEM 也需要面对在不扩大设备外形的情况下将其性能提高一倍的挑战，并因而加倍功率密度。现有的模拟产品方案却让 IT 设备厂商应对这一挑战的能力受到了限制。

在大型数据中心的部署过程中，因功耗及散热相关而产生的运营支出问题更为严重。由Lawrence Berkeley Labs等组织进行的多项研究显示，在传输给数据中心的电能中，几乎有
59％的电能被浪费在电能传输和散热损耗中。Gartner 公司在 2006 年 11 月的一则报道中指出：“到 2008 年年底，全球将有一半的数据中心用电超标”。

数据中心中的服务器大都有多余的电源。这意味着一个电源一般只以不高于其额定电源容量的 30％～50％来工作。另外，如今数据中心服务器大部分电能利用率只有 20％～40％，也就是说，其中的电源一般只以负载的 10％～20％运行。尽管很多目前的服务器一般都拥有能满足 80Plus 能效标准的电源，但这些电源是在全负载状态下才是能效最高的。通过数字控制来以轻负载实现高能效

要设计能在轻负载状况下高效工作的电源，最大的问题就是要克服巨大的固定损耗 －  这些损耗主要取决于电源所驱动的负载。用来给内部控制和通信电路供电的内部管理和偏压电源就是固定损耗的一个例子。目前很多方案都无法克服这些损耗问题，因为它们是模拟方案。

很多方案都号称是数字方案，但实际上只是以一个集成硅方案代替了模拟器件，并通过这些集成硅方案来集成 PMBus 等行业通信标准。一个真正的数字方案是可以利用电源以及数字控制的优势来提高轻负载能效等终端应用能效的。例如，ColdWatt 公司的模块式数字架构就充分利用了可通过一个“真正的数字架构”实现的灵活而复杂的控制。

这一模块式数字架构的基础在于平台具有的数字处理能力。它采用了各种处理元件，因此可以利用各种专有技术的优势，如磁技术和复杂的数控算法等。这些补充技术让 ColdWatt 可以实现比现有电源转换方案高出许多的电源转换能效。复杂控制算法让专有磁技术可以实现最优化，从而将轻负债和重负载两种情况下的损耗降至最低。

用于控制的复杂算法可以有效提供能效增益，因为它们有很高的系统感知能力，并且可以动态调节功耗响应，以确保能效不会降低。数字架构会持续记录和监控输入/输出电压、电流、功率和温度等关键系统参数来实现这一决策过程。该架构增强了的处理能力可以用来给系统的其它部分提供额外的系统感知能力。

“黑匣子”功能

可靠性和可追踪能力是对于当今服务器 OEM 的关键要求。记录并取回以上提到的重要系统参数的能力正日益成为一个要求。为此，ColdWatt 开发了一个电源的“黑匣子”功能，类似于飞机的飞行数据记录器。这种技术让关键系统参数可以在系统发生故障时被储存。这些数据随后会被取回，并用来分析故障发生的原因以及如何在将来避免这种故障。

如图 1 所示，OEM 可以利用 I2C 或 PMBus 的通信能力来连续取回数据，以监控系统功耗和能效，或者决定事件严重程度来关断电源。OEM 还可利用这一信息，并根据电源的累计工作时间来预测故障，从而可以预先解决任何与系统各种组件工作寿命有关的可靠性问题。



正如前文所述，数据中心的功耗和散热已经成为一个重要问题。带监控功能的电源可以被系统用来确定每个服务器上的负载。该信息可以用来检测热区，并进而将该服务器的任务重新分配给另一个温度更低的服务器。另外，数据中心的操作员还可以利用功耗数据来确定其客户的费用，比如，在协同定位中，他们可以使用该数据来确定某个客户实际使用了多少容量。

数字控制不仅能带来更高级的系统功能，还能大大提高能效。从一个终端用户的角度来讲，能效增益的作用是巨大的。轻负载情况下的电源能效对整体功耗有巨大的影响。

例如，经过测量发现，在 20％的负载情况下，ColdWatt 的电源比现在的业界领先级 80Plus电源能效至少高 5％。劳伦斯伯克利国家实验室发明了一种可以计算更高效电源可节省的电能的工具。通过这一工具进行的计算结果显示，在包含了 3 万台服务器的数据中心里，用户使用 ColdWatt 的电源比使用 80Plus 电源可以节省大约 100 万美元的支出。这个数字不仅在经济上来说是巨大的，更令人映象深刻的是，这些被浪费的电能可以供应额外的 870个服务器，这可以让用户大大提高数据中心的计算能力。



用 ColdWatt 公司的电源产品来节能对环境的好处

随着越来越多的业务和服务依赖于计算和处理能力，对于新型服务器和数据中心的需求也继
续增强。功耗不仅是一个涉及到财政支出的问题，也关系到环境保护。

高效的电源对于解决这两方面的问题都有积极作用。“绿格（Green Grid）计划”和“计算产
业气候拯救行动”等纷纷发起，都是为了解决这两个问题。ColdWatt 公司是这两个计划的
创始成员，并坚信其电源转换产品对行业发展和环境保护都有积极作用。

一个基于数字电源转换平台的整体能效方案可以带来很高的系统整体能效和更高的系统可
靠性。

作者简介

Laksmi Mandyam在工程、营销和管理领域有超过 12 年的经验。在加入 ColdWatt 公司之前，她在飞思卡尔担任过多个职位。在飞思卡尔工作的 12 年里，她曾担任过产品工程师，也曾担任 PowerPC 处理器的营销工作，还参与发展了飞思卡尔的安全处理器策略和产品应用。 作为飞思卡尔 PowerQUICC 产品系列的营销经理，Mandyam 负责和网络和无线架构等多个市场领域的一级 OEM 之间的合作项目，总值数百万美元。她拥有位于奥斯丁的德州大学电器工程学士学位。