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走向3kW板

日期:2014-04-13
 
 
数据服务器市场电力需求预计将成倍增长
作者:Patrick Le Fèvre,Ericsson Power Modules
 
自从八十年代初分布式电源架构引入了电信和数据通信行业(最近称为信息和通信技术),数据服务器市场的每板电力需求已经从300W提高到1200W,并预计到2015年将成倍增长,达到每板3000W。
对于电源设计人员,除了开发高效率拓扑结构和产品的电气挑战,从隔离砖以每板3kW提供这个级别的电源,将需要系统设计人员考虑超出其供电的许多事情。另一个主要问题是如何有效地冷却这种类型的板,以确保所有处理器都可以在没有过热的前提下工作。
有人会质疑,为什么数据服务器行业每板达到了这个级别的电源:为什么没有把任务分割成三个小板?虽然许多人考虑了这种做法,但解决的办法都不那么容易,一些研究表明,到2020年每板功率将高达5kW。在讨论如何最好地实现千瓦电源板之前,有趣的是了解这个级别的电源的背后什么是,以及为什么这些板将继续要求更多的功率。
 
不断增的流量
随着移动通信和数据中心的巨大增长,通过网络传输的数据量在大量增加。2013年第三季度,移动行业占有66亿用户,每月会产生1.9千兆兆字节的数据,预估在2013年和2019年之间每月将增加10倍左右,达到19千兆兆字节(见图1)。

图1:预计每月全球移动流量将增长到高达19 Exabyte
 
最近的一份报告估计,在数据中心,到2017年底每年的IP流量(2012年估计为2.6 Zettabyte)将达到7.7 Zettabyte。该报告解释说,信息和通信技术厂商需要快速开发高效的解决方案来管理这个级别的流量,同时也需要降低能耗。
为了应对这种需求,数据中心运营商正在考虑两种方法:
• 现有数据场的现代化(升级)
• 使用最新技术开发新的数据中心,实现能源利用、效率和总体拥有成本,同时降低对环境影响方面的性能提升(见图2)。对每块板电源而言,两个解决方案有很大的不同。

图2:新一代数据中心将采用新的电源架构以降低功耗
 
代化
在现代化情况下,大多数安装的数据中心已经通过了不同阶段的系统升级,迁移到了更高的计算能力,现在已达到了每板增加功率方面有一些限制。机箱和电缆已经安装(见图3),电源和备用电源往往已被限制于某个地方,对于额外冷却制冷系统空间有限。这意味着,板必须非常节能,而且数据中心运营商必须选择系统的一个关键部分进行升级,尤其是当新卡可能需要最大1.2-1.5kW时,这几乎是今天每块板平均功率的两倍。
 

图3:数据中心现代化建设将需要考虑已安装机箱和布线
 
在大多数应用中使用的现有板是由两个并联的450W四分之一砖模块供电,提供平均900W功率,当温度降额考虑在内时是800W左右(见图4)。由于板电源设计人员没有足够空间容纳更多的电源模块,并要坚持现有的空间,在考虑新一代设备时,他们往往选择更高功率的四分之一砖模块。现在这些都可以为他们的数据通信版(45V至60V输入)提供高达860W(参见图5),或堆叠模块在更宽输入电压范围提供同一水平功率(参见图6),以满足电信标准(36V至60V/75V)。这些解决方案使升级成为可能,但考虑到每块板的需求电力在3至5千瓦范围时,可能并不能提供最有效的电源架构。
 

图4:今天,两个四分之一砖并联可为IP交换机和路由器提供900W
 

 
图5:数据通信输入范围高功率密度864W四分之一砖模块采用双电源引脚和冷壁冷却来优化设计

图6:宽输入范围电信堆叠模块电源
 
同时,路由器也要获得计算能力:因为它们需要每块板更多的电力,PCB已变得更厚,增加了由板装电源传送到负载携带100A(1200W/12V)铜层的重量。在许多应用中PCB的层数已经达到了30层,因此电源模块要焊接到板上——缺陷情况下的返工——已经成为了一个临界点。除了这一点,板电源架构师们开始质疑为中间总线提供电源的每极性一个引脚背后的推理。
为了解决这个问题,早在2003年电源制造商曾与客户、合同电子制造商和连接器制造商密切合作,开发出保证可持续解决方案的适用技术。新电源砖概念的基础出现了“双P”(热增强型双电源引脚)的倡议,并出现了两个电源引脚和布局,以优化引脚和铁氧体的功耗(见图7),预示着今天的高功率密度电源模块可提供功率1.2kW。

图7:2003年推出的第一个“双P”高功率密度模块
 
忽略一下从砖获得必要功率的挑战,从每板800W到1.2kW的转移代表了系统架构师冷却方面的另一个挑战。代替数据中心常规方法的通常基于空气循环,在几乎双倍功率消耗的情况下这可能并不足够。这导致了使用热管,从处理器和其他散热部件向冷板和散热片移动热点,以提高冷却效果。在这些系统中,板电源模块底板也连接于主冷却元件,可减少热应力,提高可靠性。当数据中心运营商考虑升级现有设施时,所有这些技术都是可以接受的,但它可能不适合下一代路由器和相关设备所需的多千瓦板。
 

今天,系统架构师使用的处理器和数据高速交换能力是每秒接近数百TB;200 Gbit/s光纤网络再也不是一场梦,现在互联网交换处理器可提供惊人水平的计算能力,具有比前几代IP交换机和路由器管理更高每秒流量容量的能力。但是,系统架构师现在不得不重新考虑整体布线,以缩短不同数据包处理器之间的连接,并增加每板的I/O数量,限制引入延迟的互连损耗——数据中心运营商的噩梦。
为应对这些问题,系统设计师正在考虑基于更大板的新的机械平台和机箱设计,以适应新的冷却方法,如冷壁(refrigerated cold-wall),使得冷却系统有可能具有优于常规通风的更高效率。这方面的许多研究正在进行,我们应该期待一个伟大的创新。
在电源板方面,并联今天的四分之一砖可能是1.2kW板的明智选择,即使是一个供电3kW或许高达5kW的1kW四分之一砖也是可以想象的,但系统和板电源架构师都在质疑并联这种类型砖的电气和热优势。他们越来越多地要求电源制造商重新考虑板电源模块,因为自从九十年代后期推出第一款高功率密度砖以来,还没在封装方面有很大改变。
除了涉及焊接电源砖到板上的复杂性,还可能有多达45层板,板电源架构师必须考虑如何将这些电源模块的输出端连接到他们可能需要添加的分配250A,后来的415A,直到负载的额外电源轨。要完成这一想法,如果考虑用在其他行业和应用(如射频功率放大器)的新的散热方式,其大部分时间在自由空气对流下运行,电源架构师可能要求板电源制造商设计新一代产品来适应冷壁条件。考虑电气和热限制,板电源制造商新的多千瓦板可能会实现一个完全新型的板电源,占用更多的空间来方便热交换,具有针对非常高电流的更完善设计的互连,并采用全新的组装技术。
如果这样的模块在本文发表时不存在,和其他元件制造商密切合作的电源制造商与半导体可以定制一个最终产品,它可能类似于图8所示的三维仿真。在板制备过程中,模块可能会包括预装大功率压装插座互连的较大变压器。

 
图8:为多千瓦电源板需要的有效冷却和容易组装设计的1.5kW隔离电源模块的仿真
 
结论
“双P”倡议始于2003年,800W电源板有足够的挑战性,可能没有人认为只有10年板将被迁移到1.2kW,四分之一砖将达到864W,越来越接近近乎神话的千瓦级电源。电源设计人员已经证明,极端挑战的是充满激情探索新的做事方式。到2020年,使用一个3kW板或可能是一个5kW板供电提出了新的挑战,这种全新技术可能出现前所未有的创新。
www.ericsson.com
 

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