上一篇文章從10KV高壓供電一直介紹到機(jī)房PDU，其實(shí)按理說(shuō)從PDU節(jié)點(diǎn)之后才算是我們服務(wù)器電源工程師需要重點(diǎn)關(guān)注的東西，因?yàn)镻DU之前屬于電力電子或者說(shuō)電氣工程師需要關(guān)注的強(qiáng)電領(lǐng)域，而傳統(tǒng)的服務(wù)器電源工程師工作內(nèi)容更傾向于弱電領(lǐng)域，也就是安全電壓以下的主板電源設(shè)計(jì)。但隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，服務(wù)器電源設(shè)計(jì)已經(jīng)不純粹集中于IT設(shè)備本身了，而是向上游拓展，需要把服務(wù)器和搭載它的機(jī)架作為一個(gè)整體去考慮設(shè)，這樣做的目的就是為了節(jié)能！最大程度降低服務(wù)器數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的能耗，降低數(shù)據(jù)中心PUE值以及服務(wù)器的SPUE值。
下面是傳統(tǒng)服務(wù)器機(jī)柜的一個(gè)示意圖，從UPS室分出的3相220V供電被引入IT機(jī)房，分別接到每一個(gè)整機(jī)柜的PDU。整機(jī)柜高度為標(biāo)準(zhǔn)的42U，可以擺放21臺(tái)2U服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器功耗約700W。
圖5. 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜供電示意圖
IT負(fù)載最為最終的用電端，也是最為重要的一環(huán)。下面是傳統(tǒng)機(jī)架式服務(wù)器供電示意圖，服務(wù)器從機(jī)柜的PDU取220V交流電，接入機(jī)箱內(nèi)置的80 plus PSU，PSU將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V（CRPS）直流輸出給主板，然后再通過(guò)主板上的DC-DC電源模塊降壓至5V、3.3V、1V等低壓給負(fù)載芯片供電。
圖6. 傳統(tǒng)機(jī)架式服務(wù)器供電示意圖
但從電網(wǎng)經(jīng)過(guò)機(jī)房級(jí)UPS、再經(jīng)過(guò)服務(wù)器級(jí)PSU，以及主板級(jí)VR降壓模塊的多級(jí)轉(zhuǎn)換，從電網(wǎng)到CPU和內(nèi)存的全路徑供電效率只有60%到70%左右，這意味著很大一部分能源都浪費(fèi)在多級(jí)轉(zhuǎn)換上了，因此有必要精簡(jiǎn)這一供電架構(gòu)并提升轉(zhuǎn)換效率。
為了降低設(shè)備投資成本并提高供電效率，現(xiàn)在大型互聯(lián)網(wǎng)公司的服務(wù)器較多采用了集中電源和風(fēng)扇的整機(jī)柜服務(wù)器，比如一個(gè)傳統(tǒng)的40臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器機(jī)柜需要配80個(gè)PSU電源模塊，但每個(gè)電源的負(fù)載率只有30%左右，這種情況下PSU的投資成本很高，且PSU 在較低負(fù)載下的運(yùn)行效率都是很不好的。改采用整機(jī)柜服務(wù)器后可能只需要8個(gè)PSU，并且PSU的負(fù)載率提升到了60%到70%的較高效率點(diǎn)，無(wú)疑整機(jī)柜方式更為經(jīng)濟(jì)和高效，如下圖由集中式PSU 電源插框后的12V 供電母排給服務(wù)器主板來(lái)供電。但這種采用12V集中母排的整機(jī)柜架構(gòu)系統(tǒng)集成度很高，在碰到大功率高性能計(jì)算場(chǎng)合，12V 母排及主板上的低壓傳輸會(huì)帶來(lái)較多的傳輸損耗。
圖7. 服務(wù)器供電結(jié)構(gòu)演變示意圖
因此，很多互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心大佬們提出，采用48V 母線，可以大大降低母排的傳輸損耗，并可以將機(jī)柜的功率擴(kuò)展到30KW 甚至更高，可以很好滿足未來(lái)的升級(jí)擴(kuò)展需求。加上目前很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以直接支持48V 輸入的電源模塊，因此整機(jī)柜的TOR 交換機(jī)等可以直接從48V 母排來(lái)供電，甚至風(fēng)扇墻也可以直接從48V 母排上供電，這樣可以直接通過(guò)48V 母線統(tǒng)一給機(jī)柜內(nèi)的IT 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UPS 電池以及機(jī)柜散熱風(fēng)扇墻等幾乎所有部件供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)供電歸一化，類似今天通信行業(yè)48V 電源系統(tǒng)一樣，可將IT 行業(yè)和CT 行業(yè)統(tǒng)一起來(lái)。
圖8. 新型數(shù)據(jù)中心機(jī)柜供電示意圖
上面圖中是目前比較新的一種整機(jī)柜供電架構(gòu)圖，由谷歌等互聯(lián)網(wǎng)公司提出。該架構(gòu)采用48V母排給整機(jī)柜供電，將蓄電池和PSU插框放置在機(jī)柜內(nèi)，省去了復(fù)雜的大型UPS設(shè)備，原來(lái)笨重的鉛酸鐵鋰蓄電池由48V鋰電池代替，，加上48V母線損耗比12V母線降低16倍左右，該機(jī)柜能夠提供更大功率（30KW左右）和更高效率的供配電方案。而48V進(jìn)入主板后可以采用48V轉(zhuǎn)12V轉(zhuǎn)接板進(jìn)行中間轉(zhuǎn)換（目前市面上采用的方法，可以兼容適配傳統(tǒng)12V服務(wù)器），或者直接采用48V轉(zhuǎn)1V、3.3V等低壓等級(jí)的電源模塊給主板IC負(fù)載供電（將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)）。
圖9. 48V直接供電方案
總結(jié)一下，本文介紹了從萬(wàn)伏高壓電網(wǎng)側(cè)經(jīng)過(guò)配電、變壓、合路等一系列環(huán)節(jié)到達(dá)數(shù)據(jù)中心，然后數(shù)據(jù)中心通過(guò)UPS蓄電池備電、AC-DC、DC-DC等一些列環(huán)節(jié)到達(dá)IT機(jī)房，在機(jī)房?jī)?nèi)精密配電后通過(guò)PDU將電能傳輸給服務(wù)器等IT設(shè)備，服務(wù)器由PSU將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V或48V直流給主板供電，最終經(jīng)過(guò)板級(jí)DCDC降壓至5V、3.3、1V等POL電源給IC負(fù)載供電。我個(gè)人做了個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)，就是10KV高壓交流電進(jìn)樓宇，380V（220V）低壓交流進(jìn)機(jī)房，48V直流進(jìn)機(jī)柜，最后12V直流進(jìn)主板，當(dāng)然將來(lái)也許會(huì)將380V/220V 交流電切換為270V/240V高壓直流供電，但基本思想不變。這就是本次星球號(hào)的文章更新，大家五一快樂(lè)！