引 言
隨著數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè),用戶更為關(guān)注能源成本和效率。數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向一定是市電直供技術(shù),在省去傳統(tǒng)UPS設(shè)備投資和場(chǎng)地占用、降低前期成本的同時(shí),還通過(guò)減少轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)、提高供電效率實(shí)現(xiàn)后期運(yùn)營(yíng)成本的減少。而且這里所說(shuō)的提高效率,不僅僅是指電網(wǎng)側(cè)到IT設(shè)備輸入側(cè)的供電路徑上高效率,而是一次能源側(cè)到CPU等的整個(gè)能源路徑上的高效率和綠色環(huán)保。雖然傳統(tǒng)概念上的PUE值有可能會(huì)升高,但單位計(jì)算能耗是降低的。如圖1所示,未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)是高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展,由機(jī)房級(jí)集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜甚至服務(wù)器內(nèi)嵌的分布式小(鋰)電池方向發(fā)展,從有污染的化石能源向環(huán)保的綠色能源方向發(fā)展。
數(shù)據(jù)中心供電不間斷技術(shù)的核心在于UPS及其電池技術(shù),因此不同的電池連接位置也決定了不同的供電架構(gòu)。目前,業(yè)界主流的備用電池電壓從高到低分別有UPS的400多伏,到直流電源的380V、240V及48V,甚至電池內(nèi)嵌到IT設(shè)備內(nèi)的12V等。甚至還有采用飛輪的中壓UPS或者5V等更低電壓的小UPS等,由于應(yīng)用較少,這里不再一一列舉。圖2是目前業(yè)界在數(shù)據(jù)中心供電方面的主要技術(shù)方案,首先從集中式400多伏鉛酸電池的傳統(tǒng)UPS,其次到標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器不用定制、240V電池直掛輸出母線的240V高壓直流技術(shù),接著還有服務(wù)器采用定制48V或者380V輸入電源的48V直流或者380V高壓直流電池直掛技術(shù),最后再到Google等的12V電池直掛服務(wù)器主板輸入方案。電池越靠近末端服務(wù)器主板或者CPU,供電系統(tǒng)越為分散,相應(yīng)的IT系統(tǒng)也更為分布式;電池越靠近末端,供電系統(tǒng)的定制化程度越高，普通用戶規(guī)模開展的難度也越大;電池越靠近末端,對(duì)IT電源及電池的控制管理水平要求也越高。
最后,電池越靠近末端,從電網(wǎng)到CPU供電路徑上的轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)也相應(yīng)減少,帶來(lái)更高的轉(zhuǎn)換效率,但可能在低壓側(cè)傳輸損耗又會(huì)增加。因此,對(duì)比集中式和分布式、高壓還是低壓,交流還是直流,選擇不同的供電架構(gòu),會(huì)很大程度上影響供電系統(tǒng)可靠性、供電效率、造價(jià)成本等,還有技術(shù)、生態(tài)的成熟性以及應(yīng)用靈活性等等。
此外,隨著電池技術(shù)的發(fā)展,以及風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池等綠色能源在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的引入,給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。從某種意義上說(shuō),數(shù)據(jù)中心不間斷供電技術(shù)最終會(huì)取決于電池技術(shù)的發(fā)展,電池的革新也會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的變化,比如從傳統(tǒng)的低密度鉛酸電池到高能量密度鋰電池技術(shù)的發(fā)展,就很可能把備份電池從電池室改放置到IT機(jī)柜內(nèi),甚至放置到IT設(shè)備內(nèi)部。同樣的電池技術(shù)的發(fā)展,使得風(fēng)能、太陽(yáng)能等波動(dòng)性綠色能源實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的可能,也將改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心來(lái)自單一電網(wǎng)供電模式等。
這些更進(jìn)一步的討論這里不再展開,本文暫以業(yè)界用到的主流技術(shù)為主,通過(guò)梳理粗淺分析,拋磚引玉,以便大家可以更為深入的探討未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)的發(fā)展方向。
數(shù)據(jù)中心顆粒度層次分級(jí)
這里還可以從數(shù)據(jù)中心自上而下的不同層級(jí)來(lái)考慮UPS的應(yīng)用場(chǎng)景,典型的數(shù)據(jù)中心可以從整個(gè)園區(qū)、單棟建筑、機(jī)房模塊、微模塊、機(jī)柜、服務(wù)器等不同顆粒度來(lái)劃分。由于整個(gè)園區(qū)、單棟建筑的規(guī)模都太大,目前基本沒有UPS能覆蓋到整個(gè)層級(jí),所以這里不再討論。到機(jī)房模塊層面典型的做法是采用傳統(tǒng)的集中式分體柜級(jí)UPS,微模塊層面典型的做法是采用半分布式一體柜級(jí)UPS,整機(jī)柜層面典型的做法是采用分布式DPS電源插框級(jí)UPS,服務(wù)器層面典型的做法是采用部件級(jí)內(nèi)嵌電池UPS做法,分別如圖3(a)到(d)的四種做法。同樣的,這四種應(yīng)用架構(gòu)下,電池的擺放位置差異也很大,從機(jī)房模塊層面的集中電力電池室,到微模塊層面的半分布電池機(jī)柜,再到整機(jī)柜層面的分布式電池BBU,最后到服務(wù)器層面的部件級(jí)鋰電池包。不同的層級(jí)下不管UPS還是電池的建設(shè)規(guī)模都是從大到小、從集中安裝到分散擺放,從一次性投資到分期投入,故障影響面也是從整個(gè)機(jī)房模塊到單臺(tái)服務(wù)器等。
從前面的分析上看,采用分布式的UPS可以帶來(lái)一些好處,比如可以分期建設(shè)邊成長(zhǎng)邊投資,可以減少前期資金一次性入,而且往往很多數(shù)據(jù)中心負(fù)載率多不高,或者服務(wù)器裝滿需要較長(zhǎng)的時(shí)間,這樣集中式UPS長(zhǎng)期低負(fù)載下的低效率問(wèn)題在采用分布式小UPS情況下可以有效降低;此外,分期投資建設(shè)的分布式小UPS可以靈活匹配未來(lái)技術(shù)升級(jí)或者業(yè)務(wù)變化,或者根據(jù)不同可靠性等級(jí)按需配置,帶來(lái)更多靈活性等。因此,分布式比集中式會(huì)帶來(lái)一些好處,但是否是越分布越好呢?答案顯然是否定的,我們?cè)購(gòu)拈_展難度等的生態(tài)或者產(chǎn)業(yè)鏈層面去分析,首先是圖3(a)的傳統(tǒng)UPS架構(gòu),經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展不管是技術(shù)成熟度還是上下游產(chǎn)業(yè)鏈等都非常成熟,開展難度最低;其次是圖3(b)的微模塊層面UPS,可以是一體化模塊化UPS或者是一體化240V高壓直流,甚至是48V通信電源系統(tǒng),由于對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)器等IT設(shè)備無(wú)需定制和改造,開展難度也相對(duì)簡(jiǎn)單;接著是圖3(c)的整機(jī)柜層面電源插框+電池BBU方案,由于有國(guó)外的OCP或者谷歌、微軟整機(jī)柜或者國(guó)內(nèi)的天蝎整機(jī)柜等技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)鏈支持,以及互聯(lián)網(wǎng)用戶大規(guī)模應(yīng)用需求,目前正在進(jìn)行或者準(zhǔn)備開展,但存在一定難度;最后是IT設(shè)備層面主板直掛電池包方案,由于電池內(nèi)嵌服務(wù)器等,IT設(shè)備需要完全定制才行。此外,IT設(shè)備電池包直掛方案技術(shù)成熟度尚且不夠,且涉及上下游很多廠家及不同型號(hào)等產(chǎn)品,因此開展難度最大。
為什么說(shuō)48V供電架構(gòu)是下一步重要方向
前面我們介紹了數(shù)據(jù)中心UPS發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用場(chǎng)景,我們認(rèn)為目前第一階段的大機(jī)房層面?zhèn)鹘y(tǒng)UPS架構(gòu)和第二階段的微模塊層面半分布式UPS發(fā)展都已經(jīng)比較清晰了,但是這些架構(gòu)在服務(wù)器前面都或多或少存在UPS這一級(jí)(不管是交流UPS、240V/380V高壓直流,還是市電+UPS等),效率以及成本都不夠優(yōu)。因此市電直供技術(shù),或者說(shuō)采用市電直接給服務(wù)器等IT設(shè)備供電,并做好市電掉電下的保護(hù)應(yīng)該是數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)下一步的發(fā)展方向。加上整機(jī)柜技術(shù)的快速發(fā)展,我們認(rèn)為將這兩者有機(jī)結(jié)合在一起,即前面所論述的采用市電供電電源插框,加上插框內(nèi)置掉電保護(hù)的電池BBU方案會(huì)是下一步發(fā)展的方向。
那么現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了,整機(jī)柜采用市電直供技術(shù),其直流母排電壓到底該采用現(xiàn)成的傳統(tǒng)12V母排架構(gòu),還是可以規(guī)劃一下48V的創(chuàng)新架構(gòu)?我們將從下面的7個(gè)方面分別做兩種技術(shù)路線的比較。
1從未來(lái)機(jī)柜功率密度增長(zhǎng)情況上比較
隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展,以及IT設(shè)備計(jì)算能力的不斷提升,數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜的功率密度從過(guò)去的幾個(gè)千瓦,到現(xiàn)在的近十個(gè)千瓦,以及已經(jīng)出現(xiàn)的十幾千瓦機(jī)柜,因此未來(lái)的單機(jī)柜功率密度很有可能會(huì)達(dá)到二三十個(gè)千瓦以上。因此這種情況下整機(jī)柜如果繼續(xù)采用12V母排,電流會(huì)高達(dá)兩三千安培以上,不管是銅排的壓降、損耗、結(jié)構(gòu)、散熱、價(jià)格等等,都會(huì)是很大的挑戰(zhàn);反之,如果采用48V的母線架構(gòu),根據(jù)非常成熟的48V通信電源市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),前面12V的這些挑戰(zhàn)都不是問(wèn)題,而且功率擴(kuò)展能力有望可以升級(jí)到30～40kW的單機(jī)柜密度,可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)期的規(guī)劃,因此48V架構(gòu)從單機(jī)柜功率密度增加方面有很大潛力。
2從母線損耗上比較
如前面估算,如果12V架構(gòu)下母線電流達(dá)到兩三千安培,那么即便是小到1mΩ的接觸電阻或者線路阻抗下母排損耗都可以達(dá)到4、5千瓦以上,即便采用多個(gè)電源插框或者多根母線來(lái)分?jǐn)傠娏鳒p少損耗,那么不管是總體成本、空間占用、銅消耗、以及能耗等方面都非常大;反之,如果采用48V的母線架構(gòu),電流減少為原來(lái)的四分之一,則母線損耗降低為原來(lái)的1/16,可以大大降低母線損耗和發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。
3從電壓容許范圍上比較
我們知道12V供電服務(wù)器主板通常的輸入電壓范圍是5%的正負(fù)差,如果采用12V母線+12V電池BBU的架構(gòu),基本很難達(dá)到這個(gè)電壓容許范圍。特別是在可能高達(dá)兩三千安培的大電流下,1mΩ的阻抗下壓降就高達(dá)2、3伏了,銅排壓降都遠(yuǎn)超這個(gè)5%約0.6V的電壓范圍。如果采用多個(gè)電源插框多根母線分?jǐn)傠娏骺刂茐航?那么除了前面提到的成本、空間等問(wèn)題外,還需要有額外的DC/DC穩(wěn)壓電路來(lái)保障電池BBU放電帶來(lái)的電壓降低問(wèn)題。這個(gè)DC/DC穩(wěn)壓電路的總成本將會(huì)很高,也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總體不經(jīng)濟(jì)。而48V母線架構(gòu)下,通常主板允許的輸入電壓范圍是很寬的36～58V,母線壓降不再是個(gè)問(wèn)題,且電池BBU可以直接掛接在48V母線上,也無(wú)需DC/DC穩(wěn)壓電路,所以采用48V母線架構(gòu)電壓容許范圍變得非常容易。
4從電池備電時(shí)間層面上比較
如前面所述,由于12V母線架構(gòu)下只有5%的電壓容許范圍,那么電池掛接母線的放電截至電壓范圍會(huì)很窄。即便增加了DC/DC穩(wěn)壓電路,容許的電池放電時(shí)間也會(huì)較小,因?yàn)闀?huì)很快觸發(fā)電源欠壓保護(hù)電路。還有12V低壓大電流下的散熱風(fēng)險(xiǎn),所以采用12V母線架構(gòu)下很難有較長(zhǎng)的電池備電時(shí)間。而如果采用48V母線架構(gòu),由于有很寬的電壓容許范圍,且電池可以直接掛接在48V輸出母線上,那么電池備電的時(shí)間可以較長(zhǎng),有效保障了系統(tǒng)的安全性和可靠性,這些特點(diǎn)在通信行業(yè)已有充分案例和驗(yàn)證。
5從成本上比較
成本方面主要考慮四個(gè)部分的差異,我們從整個(gè)電源系統(tǒng)上進(jìn)行比較。首先是電源插框,由于48V電源在通信行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用,成本低廉,單瓦成本比12V的服務(wù)器電源價(jià)格要低不少。況且這里還沒算12V架構(gòu)下需要多個(gè)電源插框,而48V架構(gòu)只需單個(gè)插框帶來(lái)的總成本差異;其次是電池BBU,如前面所述,12VBBU架構(gòu)下電池內(nèi)部往往需要穩(wěn)壓DC/DC電源,而48V架構(gòu)則無(wú)需配置,這部分電池BBU部分采用48V架構(gòu)也很有優(yōu)勢(shì);接著是母線排等輸配電方面,由于48V架構(gòu)下大大降低了銅排的規(guī)模和數(shù)量,而且只需單個(gè)插框,這部分48V架構(gòu)也有很大成本優(yōu)勢(shì);最后是主板上的VRM(穩(wěn)壓模塊)電源的比較,采用48V架構(gòu)下,服務(wù)器主板上采用大量應(yīng)用的BMP板上磚塊電源給CPU等供電,成本不高。而12V架構(gòu)下同樣需要采用多個(gè)VRM電源給CPU供電,這個(gè)層面上差異不大。因此,從前面的比較上看48V架構(gòu)有很大優(yōu)勢(shì)。
6從總效率層面上比較
總效率層面,我們還是仍然比較從電網(wǎng)到CPU的整個(gè)供電路徑。首先,市電到母排這一段,48V的通信電源現(xiàn)在效率較容易實(shí)現(xiàn)97%的高效率,而12V服務(wù)器電源多停留在94%左右;其次,母線損耗方面,由于48V架構(gòu)下傳輸和接觸阻抗損耗只是12V架構(gòu)下的1/16,包括了母線段和服務(wù)器主板上的傳輸和接觸阻抗損耗。這里還沒考慮充放電過(guò)程中48V架構(gòu)比12V架構(gòu)少了DC/DC環(huán)節(jié)的損耗;最后,從母線到CPU等這一段,48V到1.3V的BMP磚塊電源也比12V到1.3V的VRM電源效率更高損耗更少。采用48V架構(gòu)比采用12V架構(gòu)總效率提升5%以上,因此從市電到CPU的總效率層面48V架構(gòu)有很大優(yōu)勢(shì)。采用48V母線架構(gòu)和12V母線架構(gòu)的總損耗對(duì)比如圖5所示。
7從交換機(jī)等其他機(jī)房設(shè)備上比較
我們知道數(shù)據(jù)中心內(nèi)部除了服務(wù)器外,還有很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,而這些數(shù)量相對(duì)較少的設(shè)備通常是較難全部定制的。而我們知道很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身是具有48V電源這一選項(xiàng)的,即很多其他的機(jī)房IT設(shè)備本身是支持48V電源輸入,只需配置上支持48V輸入的電源模塊即可。而如果采用12V電源插框+電池BBU供電架構(gòu),基本沒有直接支持12V輸入的IT設(shè)備。那么專門給這部分機(jī)房IT設(shè)備來(lái)定制12V電源是不太現(xiàn)實(shí)的,而在整個(gè)機(jī)房都采用市電直供的情況上,專門為了少量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備去配置個(gè)大UPS也是非常復(fù)雜和不經(jīng)濟(jì)的。因此這一點(diǎn)上采用48V電源插框+電池BBU架構(gòu)比12V架構(gòu)具備非常大的開展優(yōu)勢(shì)。
如何來(lái)開展48V供電架構(gòu)
通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展,目前在通信行業(yè)48V供電架構(gòu)已經(jīng)非常標(biāo)準(zhǔn)和通用了,產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)都非常成熟,以至于目前大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以直接支持48V直流供電。甚至在數(shù)據(jù)中心行業(yè)之前也曾嘗試過(guò)采用48V供電架構(gòu),只是傳統(tǒng)的做法是學(xué)UPS將48V電源和電池放到數(shù)據(jù)中心的電力室和電池室。這種做法帶來(lái)的問(wèn)題是傳統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)備往往缺乏直接支持48V輸入的電源,以及48V供電在低壓較長(zhǎng)距離傳輸時(shí)帶來(lái)的電源線纜投資、傳輸線路壓降和傳輸線纜損耗等,最終傳統(tǒng)的48V供電技術(shù)在數(shù)據(jù)中心行業(yè)沒能開展起來(lái)。但是隨著整機(jī)柜等技術(shù)的發(fā)展,以及追求低成本高效率、市電直供技術(shù)、大功率機(jī)柜以及鋰電池等技術(shù)的發(fā)展,采用分布式的靠近機(jī)柜甚至機(jī)柜內(nèi)置的48V供電架構(gòu)將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的重要方向。服務(wù)器、交換機(jī)、風(fēng)扇墻等48V供電歸一化系統(tǒng)如圖6所示。
前面介紹了48V供電架構(gòu)比12V供電架構(gòu)帶來(lái)的諸多好處,下面我們繼續(xù)探討如何開展這方面的工作。畢竟傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心都是采用12V的供電架構(gòu),切換到48V供電架構(gòu)一定會(huì)帶來(lái)不少挑戰(zhàn),針對(duì)這些挑戰(zhàn)我們繼續(xù)從電源插框系統(tǒng)、電池BBU技術(shù)以及服務(wù)器主板上48V輸入到CPU路徑的供電替換做深入分析。
1 48V電源插框系統(tǒng)
由于48V供電技術(shù)在通信行業(yè)的普遍運(yùn)行,目前通信電源的成本非常低廉,而且效率可以做到97%的超高效率。加上幾十年48V電源運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)以及成熟的電池管理技術(shù)等,這些通信行業(yè)的積累都可以直接復(fù)制到數(shù)據(jù)中心行業(yè)的48V供電架構(gòu)上,總體而言48V供電技術(shù)是個(gè)低成本、高效率、好管理、易運(yùn)維的成熟技術(shù)。比如采用業(yè)界大量應(yīng)用的低成本單模塊3kW的標(biāo)準(zhǔn)50A通信電源做48V電源插框。采用2+1配置給6kW內(nèi)低功率機(jī)柜、采用5+1配置給15kW中大功率機(jī)柜,采用8+1配置給24kW超高功率機(jī)柜,可以實(shí)現(xiàn)三相平衡且只占用2U左右機(jī)柜內(nèi)空間,還可通用電源插框按實(shí)際功率需求來(lái)配置模塊數(shù)量。可采用節(jié)能休眠功能全負(fù)載范圍達(dá)96%以上高效率,比傳統(tǒng)UPS加12V服務(wù)器電源的總效率高出15%以上。
2 48V鋰電池技術(shù)
鋰電池技術(shù)經(jīng)過(guò)電池儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、消費(fèi)類電子等行業(yè)的發(fā)展,在過(guò)去幾年技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟度增長(zhǎng)很快,安全性也有較大提高,目前價(jià)格也有大幅度的降低�？紤]其優(yōu)異的放電能力、耐高溫特性、維護(hù)簡(jiǎn)單、以及高能量密度和輕重量等優(yōu)點(diǎn)。在很多行業(yè)都是研究熱點(diǎn),也非常契合未來(lái)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景,完全可以用來(lái)替代傳統(tǒng)的鉛酸電池。考慮其較長(zhǎng)的使用壽命,從ROI(投資回報(bào)率)角度來(lái)考慮成本和鉛酸電池也差不多。48V鋰電池BBU技術(shù)在通信行業(yè)和電動(dòng)汽車電池模塊等場(chǎng)合有很多研究和應(yīng)用,目前也已經(jīng)較為成熟,有較多產(chǎn)業(yè)和技術(shù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等的積累。如果在整機(jī)柜48V電源插框旁配置一個(gè)2U到3U高的48V電池BBU,給整機(jī)柜提供穩(wěn)定的48V電源,并提供5到15min的電池備電,這可以帶來(lái)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的很大革新。不再需要傳統(tǒng)的UPS投資、不再需要電力室電池室場(chǎng)地、不再有很多損耗浪費(fèi)在UPS和低效率12V電源上,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜級(jí)邊成長(zhǎng)邊投資,可以實(shí)現(xiàn)48V電源模塊按需配置,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能休眠,可以實(shí)現(xiàn)換硬盤一樣熱插拔更換電源模塊和電池BBU等,最終實(shí)現(xiàn)IDC低成本高效率易維護(hù)可管理供電。鐵鋰電池模組如圖7所示。
3 從BMP和VRM電源層面
我們繼續(xù)再到服務(wù)器主板電源層面,傳統(tǒng)服務(wù)器主板上是12V供電,還需要12V備用供電等輔助輸出用于管理控制等,然后經(jīng)過(guò)服務(wù)器主板上一堆VRM電源將12V輸入轉(zhuǎn)換成低壓的5V、3.3V、1.3V等不同輸出,分別給到硬盤、內(nèi)存和CPU等不同單元供電,總體成本其實(shí)不低而且電源占用了主板較多的空間。
此外,這些VRM電源通常效率不高,能量浪費(fèi)較為嚴(yán)重。我們知道傳統(tǒng)的PUE衡量標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)沒考慮服務(wù)器主板上電源帶來(lái)的能量損耗,如果這些VRM電源只有50%的效率,即便機(jī)房級(jí)PUE做到1.0,那么到最后環(huán)節(jié)還是有一半的能源被白浪費(fèi)掉,因此傳統(tǒng)12V架構(gòu)的VRM電源不夠優(yōu)化且有較大提升的空間。如果現(xiàn)有服務(wù)器主板能改采用創(chuàng)新的48V輸入供電架構(gòu),那么真正需要做的只是將這些VRM電源模塊替換成業(yè)界非常通用和成熟的48V輸入BMP板上電源模塊。直接將48V輸入降壓成5V、3.3V和1.3V等,而且這些BMP板上模塊通常比傳統(tǒng)VRM電源效率更高,大規(guī)模應(yīng)用價(jià)格可能還有優(yōu)勢(shì),對(duì)現(xiàn)有服務(wù)器主板也沒有太多影響。因?yàn)檫@些BMP板上電源模塊可以以1/4、1/8磚模塊的方式,采用貼片或者焊接的工藝安裝到主板上,無(wú)需太多電源調(diào)試和主板布局更改,應(yīng)用起來(lái)非常簡(jiǎn)單,而且可復(fù)制通用性強(qiáng)。傳統(tǒng)主板上VRM(電源穩(wěn)壓模塊)和BMP(電源管理板)上磚塊電源的示意圖如圖8所示。
通過(guò)前面幾個(gè)部分的比較和分析,采用分布式48V電源插框和電池BBU的架構(gòu),從技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)鏈等層面分析,開展難度并不大,但帶來(lái)的收益卻是巨大的。目前業(yè)界google、facebook等公司已經(jīng)或者正在做此方面應(yīng)用研究和使用,我們認(rèn)為將會(huì)是國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心行業(yè)供電架構(gòu)的下一個(gè)重要發(fā)展方向。
另外一個(gè)可能的技術(shù)路線
我們前面提到UPS技術(shù)的發(fā)展,很大程度取決于電池技術(shù)的水平,由此衍生出采用飛輪儲(chǔ)能UPS、傳統(tǒng)鉛酸電池UPS、分布式鋰電池UPS(大量采用鋰電池的手機(jī)或者筆記本電腦就是一些很好的應(yīng)用案例)等不同的技術(shù)路線。特別是隨著未來(lái)電池科技的不斷發(fā)展,肯定會(huì)有新的電池技術(shù)來(lái)革新替代現(xiàn)有UPS。
但就今天而言,消費(fèi)類電子行業(yè)在大量采用的低成本鋰電池有可能會(huì)給傳統(tǒng)UPS帶來(lái)技術(shù)革新,或者至少加速傳統(tǒng)UPS改進(jìn)的步伐,如前面介紹的手機(jī)電池和筆記本電腦電池就是一些很好的例子。我們知道即便離開了電網(wǎng),手機(jī)或者筆記本電腦都可以持續(xù)的工作,直到下一次充電。類似數(shù)據(jù)中心的UPS在掉電情況下能持續(xù)給服務(wù)器供電,直到柴發(fā)啟動(dòng)給數(shù)據(jù)中心持續(xù)供電。因此按照這個(gè)思路,如果我們也給IT設(shè)備像手機(jī)或者筆記本電腦一樣安裝上鋰電池,短時(shí)間停電仍可以像手機(jī)一樣繼續(xù)通話上網(wǎng),像筆記本電腦一樣繼續(xù)可以工作辦公,長(zhǎng)時(shí)間停電則靠柴油發(fā)電機(jī)來(lái)保障續(xù)供電,可以保障業(yè)務(wù)的持續(xù)運(yùn)行,那么我們?yōu)槭裁催�需要傳統(tǒng)的UPS呢?谷歌12V帶鉛酸電池的服務(wù)器如圖9所示。
在服務(wù)器內(nèi)部安裝電池其實(shí)也不是啥新想法,谷歌早在近10年前就這么用過(guò),只不過(guò)那個(gè)時(shí)候鋰電池技術(shù)還沒有今天這么成熟和低成本。谷歌在那個(gè)時(shí)候采用了傳統(tǒng)的小鉛酸電池模塊,放置在服務(wù)器尾部做掉電保護(hù),實(shí)現(xiàn)了99.9%的數(shù)據(jù)中心側(cè)供電效率。但鉛酸電池帶來(lái)的體積較大、溫度敏感、漏液風(fēng)險(xiǎn)、放電能力較差等一系列挑戰(zhàn)也許只有谷歌自己能解決,甚至該技術(shù)今天谷歌可能已經(jīng)不再采用了。因?yàn)楝F(xiàn)在有了較低成本、高能量密度、大電流放電能力、高溫特性好、免維護(hù)等的鋰電池技術(shù),完全可以替代鉛酸電池用于服務(wù)器內(nèi)部的掉電保護(hù)。如果性能要求不是很高,甚至可以采用低成本的一次性的鋰電池,和服務(wù)器的生命周期匹配,只需保障三四年持續(xù)供電即可。和服務(wù)器一起直接退役報(bào)廢,需要多少買多少,采用市電直供不需要UPS、不需要維護(hù),就像今天的手機(jī)和筆記本電腦的做法一樣。還比如我們今天看到小米充電寶內(nèi)的鋰電池價(jià)格都已經(jīng)低到驚人的地步(不一定適用數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景),如果在服務(wù)器內(nèi)嵌個(gè)幾十上百塊人民幣的電池,對(duì)服務(wù)器的總體成本增加幾乎可以忽略,但給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的收益卻是十分巨大的。小米的成本移動(dòng)電池如圖10所示。
基于前面的思路,如果IT設(shè)備采用內(nèi)嵌鋰電池方案,那么電池該安裝在哪里呢?或者如何做可以更為容易開展?自然而然,我們會(huì)想到電池可以安裝在服務(wù)器主板外和安裝在服務(wù)器主板上的兩個(gè)方案。針對(duì)第一個(gè)方案,如果電池安裝在服務(wù)器主板外,那么采用和服務(wù)器電源一樣封裝的電池模塊會(huì)是最為簡(jiǎn)單的做法。因?yàn)橥ǔ７⻊?wù)器會(huì)配置有兩個(gè)電源模塊,如果將其中的一個(gè)電源模塊更換為一樣外形的電池模塊,并且采用和原來(lái)電源模塊同樣的PIN腳,那么相當(dāng)于電池模塊和電源模塊直接并聯(lián),類似電源冗余備份。市電正常情況下采用市電直供給服務(wù)器主板供電并對(duì)電池模塊充電,市電異常情況下,備份的電池馬上承擔(dān)起全部的服務(wù)器主板負(fù)載,直至柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)繼續(xù)由電源模塊給服務(wù)器主板供電并重新充滿電池。這種方案下對(duì)現(xiàn)有服務(wù)器基本不用做任何改造,只需換個(gè)電池模塊即可,開展起來(lái)最為簡(jiǎn)單,如圖11所示的做法。
如果采用電池安裝在服務(wù)器主板上的第二種方案,那么就需要在服務(wù)器內(nèi)部做些調(diào)整了。電池可以安裝在服務(wù)器內(nèi)部主板外有空閑的地方,也可以直接安裝在服務(wù)器主板上。具體可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇,但推薦采用可以熱插拔更換的方式開展。如圖12就是Intel前幾年在IDF上展示的電池內(nèi)置服務(wù)器樣機(jī),電池直接安裝在服務(wù)器的12V輸入,遠(yuǎn)離服務(wù)器發(fā)熱區(qū),并以電池模塊方式來(lái)支持插拔安裝,以及更換。
結(jié)束語(yǔ)
數(shù)據(jù)中心的供電技術(shù)很大程度上取決于電池技術(shù)的發(fā)展水平,本文在梳理了數(shù)據(jù)中心各種供電技術(shù)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為采用分布式供電會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的重要方向。而且未來(lái)采用48V供電架構(gòu)又比12V供電架構(gòu)有更多的優(yōu)勢(shì),且不排除未來(lái)還有IT設(shè)備內(nèi)嵌電池技術(shù)的發(fā)展方向。但I(xiàn)T設(shè)備內(nèi)嵌電池方案因涉及數(shù)據(jù)中心內(nèi)各種設(shè)備廠家、各種型號(hào)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的定制和改造,開展難度會(huì)更大。且每個(gè)服務(wù)器還需配置服務(wù)器電源和內(nèi)嵌電池包,總體成本和總效率都不占優(yōu)。
而48V電源插框加電池BBU的創(chuàng)新型架構(gòu),基于目前熱門的整機(jī)柜技術(shù),低成本、高效率、易維護(hù)、可管理,而且可以快速大量交付給業(yè)務(wù),減少分布式服務(wù)器的電源數(shù)量并在提升總體能效等方面有很大優(yōu)勢(shì),因此我們認(rèn)為總體更優(yōu)的48V供電加BBU架構(gòu)將會(huì)是未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)發(fā)展的重要方向。
（本文轉(zhuǎn)自UPS應(yīng)用）
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