48V電源架構(gòu)可有效降低能源損耗及占地空間，因而成為資料中心電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。在Google宣布加入由Facebook主導(dǎo)的開(kāi)放運(yùn)算計(jì)畫(huà)(OCP)，并力推48V電源架構(gòu)后，美信(Maxim)、意法半導(dǎo)體(ST)更旋即進(jìn)軍該市場(chǎng)，引爆伺服器電源晶片市場(chǎng)新一波大戰(zhàn)。

近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，掀起新一波云端資料中心建置熱潮，并帶動(dòng)伺服器需求。為提升資料中心能源使用效率，許多電源晶片商已紛紛提出新式解決方案。其中，48V能源架構(gòu)可大幅降低電力損失及節(jié)省成本，因而備受關(guān)注，促使相關(guān)業(yè)者紛紛搶進(jìn)布局。  

電源晶片商助攻 48V配電架構(gòu)發(fā)展增溫  

資料中心加速邁向48伏特(V)配電架構(gòu)。Google近日宣布加入由Facebook主導(dǎo)的開(kāi)放運(yùn)算計(jì)畫(huà)(OCP)并力推48V配電架構(gòu)，期大幅降低資料中心電力損失、占用空間及冷卻設(shè)備成本；而包括意法半導(dǎo)體(ST)、美信(Maxim)及Vicor等晶片商也隨即發(fā)布支援此架構(gòu)的電源晶片，以協(xié)助打造更節(jié)能和更高功率密度的伺服器設(shè)備。  

Google技術(shù)專(zhuān)案經(jīng)理John Zipfel表示，OCP開(kāi)放運(yùn)算社群是使用者和制造商的完整集合，該公司加入OCP后，會(huì)透過(guò)將包括48V電力配送和新尺寸的新機(jī)架規(guī)格貢獻(xiàn)給OCP，來(lái)推動(dòng)資訊科技(IT)基礎(chǔ)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。  

Zipfel透露，隨著伺服器運(yùn)算設(shè)備的中央處理器(CPU)和繪圖處理器(GPU)效能愈來(lái)愈強(qiáng)，其所耗費(fèi)的電力也與日俱增，因此Google自2009年開(kāi)始評(píng)估傳統(tǒng)12V電力設(shè)計(jì)的替代方案，期達(dá)到更好的資料中心系統(tǒng)效率和效能。2010年，Google正式著手進(jìn)行48V機(jī)架電力配送開(kāi)發(fā)，因?yàn)樵摴景l(fā)現(xiàn)此一方案可節(jié)省至少30%的能源效率，且更具成本效益。  

Zipfel指出，Google的48V架構(gòu)至今已大幅演進(jìn)，并涵蓋48V伺服器至負(fù)載點(diǎn)(Point-of-load, POL)設(shè)計(jì)，以及機(jī)架層級(jí)48V鋰電子不斷電系統(tǒng)(UPS)。過(guò)去幾年Google已大規(guī)模設(shè)計(jì)并使用48V基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)其強(qiáng)固性與可靠性表現(xiàn)甚感滿(mǎn)意。 現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)界正戮力解決耗電問(wèn)題，并應(yīng)付更高功耗的工作負(fù)擔(dān)，例如以GPU執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)，而藉由與OCP共同合作將48V配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化是相當(dāng)正確的方向???????Google相信，這將幫助每家采用這個(gè)新世代電源架構(gòu)的業(yè)者，使其達(dá)到與Google一樣的功率效率和成本效益。  

搶占48V資料中心商機(jī) 電源晶片商攻勢(shì)齊發(fā)  

看好48V資料中心配電架構(gòu)的發(fā)展前景，電源晶片商如Vicor、意法半導(dǎo)體及美信(Maxim)等也相繼投入支援新架構(gòu)的解決方案，其中又以Vicor的布局較早。  

憑藉過(guò)往在功率轉(zhuǎn)換引擎、控制系統(tǒng)和模組化電源技術(shù)方面的技術(shù)耕耘，Vicor近期宣布推出新一代48V直接至PoL(負(fù)載點(diǎn))電源元件(圖1)。這些模組允許從48V配電母線(xiàn)同時(shí)為低電壓大電流的CPU、GPU、ASIC和DDR記憶體供電，能夠?qū)崿F(xiàn)較佳的功率密度、轉(zhuǎn)換效率及低系統(tǒng)配電損耗。此一新款48V模組也于2016開(kāi)放計(jì)算計(jì)畫(huà)(Open Compute Project, OCP)高峰會(huì)上，被Google選擇為資料中心的標(biāo)準(zhǔn)，以推廣48V伺服器和配電基礎(chǔ)設(shè)施。  

圖1 Vicor新一代48V直接至PoL(負(fù)載點(diǎn))電源元件被Google選為資料中心推廣標(biāo)準(zhǔn)，

可實(shí)現(xiàn)較佳的功率密度、轉(zhuǎn)換效率及低系統(tǒng)配電損耗。

Vicor新推出的48V直接至PoL模組包括Cool-Power PI3751-02升降壓、預(yù)穩(wěn)壓器模組(PRM)和VTM48Kp020x電流倍增器模組(VTM)。PRM可接受來(lái)自48V分散式母線(xiàn)的輸入(Vin高達(dá)55V)，并產(chǎn)生受控的“分比式(Factorized)”母線(xiàn)電壓供給VTM；VTM輸出電壓為其輸入電壓的1/24，而電流為輸入電流的24倍，傳送給CPU。  

同時(shí)，新款48V模組在負(fù)載端最高可以采用48倍的電流倍增，以實(shí)現(xiàn)高效率、高密度和寬頻寬，以及獨(dú)特的分比式電源屬性。  

另一方面，意法與美信也在Google宣布加入OCP后，旋即發(fā)布相關(guān)晶片方案，搶搭設(shè)計(jì)商機(jī)。意法半導(dǎo)體推出三款專(zhuān)門(mén)用于48V配電架構(gòu)的新電源轉(zhuǎn)換晶片，并已開(kāi)始量產(chǎn)出貨。新方案采用直接數(shù)位電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，可減少中間轉(zhuǎn)換級(jí)，降低資料中心的電力損失。 

意法半導(dǎo)體副總裁暨類(lèi)比事業(yè)群總經(jīng)理Matteo LoPresti表示，48V架構(gòu)是打造超高效率資料中心的理想選擇，可顯著降低總體擁有成本。該公司已推出獨(dú)特的隔離式共振電源轉(zhuǎn)換器解決方案并已全面進(jìn)入量產(chǎn)，可支援下世代應(yīng)用，并兼顧電源效率、延展性與設(shè)計(jì)彈性。  

因應(yīng)快速增長(zhǎng)的效能需求，伺服器與處理器已藉由多核心設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)其運(yùn)算能力，這相對(duì)也增加耗電量。新一代電源架構(gòu)目標(biāo)是大幅減少資料中心伺服器的電力浪費(fèi)，并符合Google宣布的新48V配電架構(gòu)需求。  

為達(dá)此一目標(biāo)，意法半導(dǎo)體已開(kāi)發(fā)出可從48V直接進(jìn)行數(shù)位電源轉(zhuǎn)換的晶片，可支援所有資料中心電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。新款晶片系列完全符合英特爾(Intel)VR12.5(Haswell與Broadwell平臺(tái))、VR13(Skylake平臺(tái))與DDR3/4電壓調(diào)節(jié)規(guī)格，以及所有用于資料中心設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)和特定應(yīng)用積體電路(ASIC)。  

這三款新晶片搭配意法半導(dǎo)體低電壓StripFET功率MOSFET系列，可確保系統(tǒng)在輸入電壓從36至72V而輸出電壓在0.5與12V下，穩(wěn)健和高效率運(yùn)作。這樣的設(shè)計(jì)規(guī)格可使12V/500W的電源供應(yīng)系統(tǒng)，達(dá)到97%以上的電源效率，并能以最小的電路板空間達(dá)到高系統(tǒng)頻寬。  

美信則發(fā)表48V負(fù)載點(diǎn)、單級(jí)DC-DC調(diào)節(jié)器(圖2)，可讓資料中心的電源使用效率(PUE)向1.00的理想值更近一步。  

圖2 Maxim新款48V負(fù)載點(diǎn)、單級(jí)DC-DC調(diào)節(jié)器整合電源和磁性元件，

使資料中心電源使用效率可望往PUE 1.00理想值更近一步。

據(jù)悉，隨著云端服務(wù)功率等級(jí)的不斷提升以支援更高性能的處理器和記憶體，資料中心設(shè)備的電源傳輸效率正處于一個(gè)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。資料中心運(yùn)營(yíng)商迫切希望使PUE接近1.00。PUE等于1.00意味著沒(méi)有功率損耗，電能將全部被用于處理資料。  然而，目前常見(jiàn)的兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換(48V至12V至負(fù)載)架構(gòu)，其效率最高僅為90%左右。  

因此，為使電源使用效率能夠更接近PUE 1.00的理想值，美信該款48V可擴(kuò)展方案采用整合電源和磁性元件，打破了制約效率、密度，以及瞬態(tài)性能的壁壘，使得系統(tǒng)更靈活，可擴(kuò)展架構(gòu)以滿(mǎn)足功率、效率和成本的不同需求；同時(shí)，該產(chǎn)品的48V單級(jí)POL轉(zhuǎn)換(48V至負(fù)載)與12V架構(gòu)相比，避免了中間級(jí)轉(zhuǎn)換損耗，機(jī)架電源傳輸損耗可降低16倍。