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服务器配电:三五年内48V将普及

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2017-07-02   浏览次数: 99
[摘要]在不久前的2016 Google开放计算峰会(OCS, Open Compute Summit)上,谷歌宣布了其推广48V服务器和配电基础设置计划。一石激起千层浪,电源模块厂商Vicor近日在上海举行了记者见面会,介绍了48V配电的优势,

在不久前的2016 Google开放计算峰会(OCS, Open Compute Summit)上,谷歌宣布了其推广48V服务器和配电基础设置计划。一石激起千层浪,电源模块厂商Vicor近日在上海举行了记者见面会,介绍了48V配电的优势,及其48V直接到PoL(负载点)电源模块的方案及研发考虑。

以前服务器配电是AC到12V,然后12V进机架;现在机架上的电源变成48V,之后48V进机架。相比12V供电,48V配电的效率更高,而且系统架构由于省去了UPS,成本将更低。

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我国“天蝎计划3.0版”有望支持48V配电。现在急需建立48V的生态系统。另据Vicor预测,现在全世界一年的服务器销量约1000万台,其中48V大概占1%或者2%,但在三五年后,全世界会有30%~50%的服务器是48V,可见这一领域增长速度很快。

Vicor是至今唯一量产48V模块的厂商,效率可达95%。方法是采用独特的软开关技术,而且在控制器IC、硅材料、封装等方面进行了改进。该公司产品的研发计划是每两年损耗减少25%。

详细介绍如下。

48V势在必行

在数据中心和云计算里,因为以前的服务器是机柜型,功率在5k~8kW用电量,在这种个情况下使用12V的总线,这个标准已经足够。

但是随着云计算的普及,随着搜索、物联网、人工智能等方面的应用激增,需要越来越多的大型计算机。所以机柜的容量(包括计算能力和功率/用电量)会越来越高,功率会从8kW到现在的12kW、15kW,甚至20kW及更高。

而传统的12V已不能满足需求,因12V不能应对大电流。解决办法之一是提升电压到48V。

Vicor的方案是直接从48V到CPU、GPU或者内存,“时至今日只有Vicor一家是量产的。而且Vicor做的效率还是全球之最高,体积也很小,比12V方案还要小,而效率还相等,这就是Vicor的长处所在。”Vicor全球市场营销副总裁Philip D. Davies先生称,“Vicor方案的效率可达95%,未来将做到96%。”

中国市场对48V的接受度如何?Google走在最前面,在国内,厂家需要两到三年才能够跟上谷歌的步伐。据Vicor推测,中国的天蝎计划3.0版本未来可能会引入48V。

因为在Google公布48V计划之前,BAT(百度,阿里巴巴,腾讯)都知道48V,但很难推动。但在公布计划后,国内便有了很大的兴趣,很多人主动来找到Vicor讨论48V的可行性。因为他们最担心的不是技术,而是生态系统,还有能否得到效益。其实效益是显而易见的:如果用双倍的价格做48V,他们不愿意做,但是如果用差不多的价格,或者哪怕高一点的价格他们也愿意改动,因为48V对运营成本和能耗有利。像谷歌,从12V改到48V之后,能耗减少了30%,这样便可以节省一大半笔电费。在数据中心的硬件设备方面,可以全部去掉UPS,用48V的电池做备份即可。所以无论是设备还是用的数量上都可以减少。现在最主要的问题卡在主板上,首先目前的天蝎计划里面没有把48V放进去,然后也没有很多厂家能够提供48V产品。

急需48V生态系统

因此,现在最大的挑战不是技术上的问题,主要是生态系统的问题。

在生态系统方面。因为现在没有太多厂家有48V的储备,从AC到48V、从48V到CPU,48V做热插拔、保护电路等,这些都要解决。需要很多厂家加入和参与。预计在未来一两年会有很多厂家参与进来。因为48V并不是一个很新的概念。在通信传输上面,早就是48V,只是传输上的方案不能立刻用在现在的48V数据中心,需要一些改动。其他厂家,包括芯片厂家和主板厂家,他们也会加入48V的行业。

Vicor是第一家能够做48V到CPU供电的IC厂家,现在有其他家厂家正在跟进,未来应该会有竞争。不过,“Vicor欢迎竞争,只有生态系统做大了,整个饼就做大了。”Vicor 亚太区销售副总黄若炜说。另外,12V到48V是一个过程,不会一蹴而就。在美国需要一两年,而在中国需要两三年时间。

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48V的低损耗优势突出

理论上,48V使热损耗只有原来的1/16。因为当你从12V提升到48V时,电流减少了4倍,热损耗只有原来的1/16(注:P=U•I)。因此,48V不仅没有增加热损耗,还减少了16倍的热损耗。工程师们都知道,P损耗=I2•R,电阻R不变的情况下,电流减少了4倍,然后再平方,当然热损耗就减少了16倍。

关于EMI,Intel发表了其主板上做的EMI的测试。如下图,左侧是传统的多相12V母板,红色代表杂音,可见上方的杂音和讯号很多,因为当给CPU供电时,有很多的切换的干扰的信号靠近CPU。如果用右图的48V的Vicor方案,上部全是变成了绿色,可见Vicor的转换是很干净的。(注:两图的左侧红色部分是电感,噪音都较高,与本话题无关。)。

Vicor 48V方案的特点是:第一体积小,第二48V可以减少EMI干扰,同时干扰远离CPU。所以在同样的板子上,CPU可以连接更多的高速数字接口;另外由于干扰小,传输的效果更好。

Vicor核心技术

Vicor与众不同之处在于拓扑结构:采用真正的软开关技术,开关频率可做得更高,比竞争对手高数倍;另外包括控制芯片在内的技术是Vicor自主研发,因此效率可以做得很高,最终能够向市场提供小体积、高可靠性和高效率的产品。

具体地,Vicor的拓扑技术和其他公司是不一样的,很容易实现从48到1V的转换,还可以做到95%的效率。首先,从48V降到1V必须要达到93%的效率,否则从12V切换到48V毫无意义。因为如果你本身的效率下降,之前减少的损耗全部会在这个48V的转移中补上,所以93%是起码的要求。在现有的叠加的工艺里面,竞争对手要用多相和很高频率的48V转1V的切换和转移,在这一方面,效率是很难做到这一高效(93%)的。

一句话,切换时产生共振才会达到较好的效果,这比较难做到。当然竞争对手也有专利的方法,不过他们实现起来有一定的难度。

应对成本挑战的策略:提高性价比

挑战不在于技术,最关键的在于成本降下来,即性价比提升。“Vicor不是把价格降低,而是在同样的密度价值增加,就是同样的价格,你可以拿到两到四倍的产品价值。”

对于Vicor的48V器件/模块,最多增加10美元、20元,因此主板价格会偏高。但如果算上用电池代替UPS,以及节省电费,整个的系统架构会带来成本下降。

散热和封装的创新

Vicor的CEO——Patrizio Vinciarelli是封装方面的专家,对封装有很多好的创意。例如现在大部分业界仍然在用单面散热,但Vicor已经开始采用双面甚至四面散热,例如VIA封装,能够让热从每一个点都可以散出来。只有解决散热问题解决后,才能让产品做得更小。

未来研发计划

Vicor的48V产品的下一步发展计划是什么?从Vicor推出48V到1V的产品以后,Vicor每两年都要把产品的损耗减少25%。进步主要有三个方面:1.控制器IC是创新的设计,让其效率更高,2.MOSFET选用更好的材料,用来提升效率,在上面的磁芯材料上做了很多的创新,用来提升效率;3.未来Vicor会采用GaN材料等更多的新材料去提升效率。

但短期不会采用GaN,因为传统的Si产品越来越好。因为现在,无论是功率密度的水准还是过热等现有问题都可以通过提升电压来解决,提升了电压你便可以把电流减少,这样你的系统中的损耗也可以相应地减少很多,你的铜线也可以用较细的,总之很多问题都可以用提升电压来解决。

你也可以看到,无论是数据中心还是汽车上,以后都有可能把电压提升到48V,但现在很多仍是12V。

Vicor能够看到的趋势是五六年之后,数据中心的电压有可能不只是48V甚至更高压。Vicor技术的特点在于非常适合从高压到低压的转换,例如48V到1V的转换,而且Vicor能做到高功率密度和小体积。

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