在计算系统中,提高系统功效已经成为一项迫切的需求,这种情况在服务器和大型机中表现尤为突出。在安放这两种设备的办公室内,每平方英尺的高功率密度已经证明楼宇内有限的供电能力难以满足设备的大功率需求。随着供电能力的迅速提高,我们必须在系统中寻找降低能耗的各种新机会。这些机会存在于多数人看不到的地方,不是在单独的子系统中,而是在子系统的相互作用之中。
图1:三级服务器供电系统:带有功率系数修正(PFC)的交直流转换系统
把交流线电压转换成48伏直流分布电压,中间供电系统把48伏电压转换
成各个板卡使用的12伏电压。
在服务器领域,互联网的增长促进了对服务器群的需要。大型服务器集群设置在关键节点处,在这里,多条干线提供了到国家通信主干网的高速接入。办公大楼通常建在租金昂贵的地段,这直接导致投入在安置服务器的房间面积上的每平方英尺成本上升。高昂的房租加上对更高带宽的需求促使人们在几年间就将服务器的典型尺寸从5U缩小到单一的1U机柜,每个机柜最多可以包含4个处理器,而且处理器的工作频率与3年前相比也提高了一倍。一直以来,CPU的功率都与工作频率成正比,因此在短短数年内,对功率的需求已经提高了2(频率倍增)x4(处理器数目)x5(服务器机架空间的减小)=100倍。
功率密度的提高也使人们意识到,普通建筑的设计并不能满足为满满一屋子密集型服务器供电所需的高功率。此外,这些建筑也缺乏能够在瞬间低电压和电压中断情况下为系统提供保护的冗余供电系统。最后,建筑物内的空调系统也不足以冷却服务器群上的热负载。
一种设计将目光集中于服务器本身的布局(板卡间距和机柜)以及服务器是否能够形成有效的冷却气流。AdvancedTCA卡盒在提高性能的同时也带来了一些新的挑战。以8Ux280mm规格出现的更为密集且大型的刀片提高了服务器以及通讯交换中心的性能。但对这些卡而言,热管理可能是一个挑战,特别是在板空间非常紧凑的情况下。由于处理速度的提高以及需要最大化机箱中的板卡密度,而且实质上不允许停机,所以系统中存在很多限制,以至于无法提供所有必须的功能并且不能很好地对系统进行冷却。要想在冷却每槽200W功耗的同时将电路板和模块塞到最小的机柜空间内,就需要对功效问题进行仔细考虑。每损失一个百分点的功效都会转化为热量。在这里,我们将讨论一种减少风扇数目(而不是增加)的方案。
图2:在服务器中的每个板卡将需要给一个大电流处理器
(通常是100安的奔腾处理器)、多组存储器件和几个ASIC供电,
每个器件都有自己的额定电压和电流要求。
另外,有许多设计者将目光集中在通过新型控制器和更好的MOSFET提高CPU内核电压(Vcore)的直流-直流功率转换效率,但这仅解决了功率转换问题的一部分,虽然这是整个问题中最为明显的一部分。
在许多服务器中,核心CPU使用的是一组英特尔奔腾处理器。这些器件可能需要在1.2伏电压下获取100安电流(这种情况通常发生在150纳秒暂态过程中)。基于此,人们投入了很多精力来提高奔腾处理器的供电模块,即提高负载点(POL)转换器的效率。但对功效和节能造成严重影响的可能是供电系统的其它部分。
在典型的服务器系统中总会有一个交流电源,即使服务器是48伏直流电源供电情况亦是如此。在寻找功率损失或发热的根源时,人们常常忽略这个主动力源。今天,行业内存在一系列有关电力网的失真度标准,这也使得在降压调节器或AC/DC电源系统的输入端增加功率因数校正成为必须。
下一级通常是可以安放在标准砖型转换器中的传统隔离型dc/dc转换器,最后一级是数个分布在服务器中位于关键电路附近的POL转换器(图1)。随着计算机系统存储器的增多,这些电路中每一条的功率都随之提高。系统中加入了更为复杂的芯片组来提高处理器的并行操作能力和处理器的I/O速度,图2展示了这些负载的分布情况。
如果我们从负载开始向电源反推,就能了解到功率是如何被消耗的。
图3:奔腾CPU电压调节器模块(VRM)的效率已经得到极大的改进,
特别是在电流要求超过100安的情况下。
在典型的服务器处理器中,Vcore转换器的输出功率为169瓦(130A×1.3V),转换效率约为88%。在转换器上损失的功率为23瓦,因而输入功率要达到192瓦。如果效率提高2%达到90%,那么输入功率只会减少5W。但是如果把转换器设计成要求较少冷却或甚至无需冷却的系统,那么节省的功率就可以消除一个在0.25英寸-H20静态压力下风速要求为200线性英尺气流/分钟(LFM)以下的风扇。这项节省的功率达到了20-50瓦(相当于在电压为12伏时,电流下降
2到4安)。
以前在Vcore转换器效率仅有75%的时候,总功率损失一度达到112瓦(56W×2)。今天,使用最新型技术可以把总功率损失降低到46瓦。但是现在,风扇的功率几乎等同于转换器的功率损失。
因而,设计一种可以免除专用风扇的Vcore转换器比高效转换器(即转换器工作效率达到100%)的节能效果更好。上述构想可以通过使用高效MOSFET和多相控制器实现,这有点像IR公司的DirectFET(通过PCB引线传递热量)和Xphase控制器(最多使用7个相位来提高开关调节器的效率)。一项三年前与今天的转换器效率对比展示了该方案如何通过效率改进和MOSFET封装改进的组合方案消除冷却需要,同以往的方案相比,MOSFET封装改进在更高电流情况下将热密度降低了50%(图3)。
更少的热量,更大的功率
无论功耗的节省是通过减少空气流量或是完全消除风扇来实现的,对于一个典型服务器而言,都存在大幅降低功耗的机会。一个单体1U服务器中最多可带有7个风扇,每个风扇消耗的电流达1安培(图4)。
由于在更为密集的新型服务器中需要更高的能量才能产生相同的气流,所以系统中加入了更多的风扇。如果服务器的总功耗为500瓦,那么每个风扇大约需要负责70瓦电路的冷却,而完成这项工作需要消耗12瓦功率。从这个简单的例子可以清楚地看出,简单增大空气流量的方法已经导致了效率递减。现在,更高效的热设计同更高效的功率转换同等重要。
图4:通过消除风扇电机和仔细调节其它部分的工作周期
可以改善系统的效率。更高效的散热技术依然是问题的关键。
如果我们后退一步来观察整个供电电路,就可以在更宽广的视角下发现风扇电机对系统的影响。从电子负载达到280瓦的典型情况(并非最坏情况)开始,风扇的功率损失就一直是系统功率损失中最为严重的部分。在功效达到88%之后,减小这些损失的空间已经很小。消除一个风扇可以减少12瓦的损失。采用一种新的总线转换器来改进DC/DC转换器可以把该部分的损失减少12瓦。提高PFC部分和离线整流器(降压转换器)的效率可以另外减少41瓦的损失。在满负荷情况下,这些损失占总损失的50%左右。
在轻负载情况下,风扇在总功率损失中所占的比例大了许多(表1),这就是为什么在许多台式和笔记本电脑中一旦可能就关闭风扇的原因。在服务器中,通过使冷却能力同功率损失相匹配,同功率转换器联合使用的可变速电扇驱动器可以极大地改进轻负载效率。通过把频率提高到20kHz以上,可变速电机也可以用于减少听得见的噪声。
对未来的展望
过去在功率转换效率方面所做的改进已经极大地降低了从交流原级电源到CPU输入的总损失,但未来的改进将要求能够同时提高热、机械和功率转换的系统整体解决方案,从而获得新一级的能量使用水平。在过去8年中所取得进步的基础上,你应该回顾整个功率转换过程的各个级,并确认是否仍然需要某个级、接口电压是否是最优的以及元件的热封装设计是否能最大程度地减小冷却该元件的能耗,从而继续提高功效。
作者:Carl Blake
开关型供电产品技术营销经理
国际整流器公司
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