进入了物联网时代的我们,或多或少都患上了电源焦虑症,不由自主地会去操心“智能”的手机、手环、门锁等设备,是否还有足够的电可用。

 

这些在物联网边缘端的设备通常体积小,只能电池供电,电源系统的设计确实是个卡脖子的问题。不过,对于普通的用户来说,很多人并没有意识到,在物联网的另一端,也就是数据中心所在的云端,所面临的电源问题也同样很值得“焦虑”,因为数据中心太费电了!

 

 

数据中心:能耗大户

作为数字时代的“云脑”,数据中心担负了海量数据的处理和计算工作,而这种高密度数据处理背后,则是不断攀升的耗电量。以中国为例,全国数据中心的耗电量的增速已连续 8 年超过 12%——2017 年,国内数据中心总耗电量就已经达到 1200-1300 亿千瓦时,这个数字超过了三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和;预计到 2020 年,这个数值将达到 2962 亿千瓦时,2025 年则会高达 3842.2 亿千瓦时。

 

 

在全球范围内,同样的趋势也在发生,有分析称到 2025 年,数据中心将占到全球能耗的 33%,位居能耗第一把交椅。而随着 AI 人工智能等需要更充沛算力支持的技术和应用的发展,实际的数据中心能耗增速,很可能比这个更快。

 

既然是耗电大户,那么考虑如何让数据中心更省电,就成了人们努力的方向。为此,人们对数据中心的能耗构成进行了分析:

 

1. 对于一个传统的数据中心来说,IT 设备的能耗最高,约占到总能耗的 50%,这部分能耗是直接用来进行数据计算和处理的;

 

2. 其次,制冷系统能耗占比约为 35%,主要是在 IT 设备运行时为其降温,确保其能够在规定的工作温度范围为内正常工作;

 

3. 接下来是配电系统的能耗,主要是 UPS 设备的能耗和电能在配电系统传输和变压转化过程中的损耗,约为 10%;

 

4. 最后一项是照明和其他数据中心配套支持系统的能耗,约占 5%。

 

图 1:传统数据中心的能耗构成

 

为数据中心“退热”

在此基础上人们又提出了一个衡量数据中心能源利用效率的指标 PUE((Power Usage Effectiveness),其含义为数据中心全年总耗电量除以其中 IT 设备全年耗电量,也就是上述数据中心能耗构成中的 1-4 项总和与第 1 项数值之比。从这个定义可以看出,PUE 越低则说明数据中心在 IT 设备以外消耗的电能越少, 越节能。

 

因此,如何将 PUE 的数值降下来,也就成了数据中心运营者和行业管理部门最操心的事情。比如在中国,2019 年 2 月国家工信部、国家机关事务管理局和国家能源局三部委联合发布了《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》,提出了“到 2022 年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到 1.4 以下”的目标,而以前很多老旧数据中心的 PUE 普遍大于 2,可见现实和理想之间的 gap 还是不小的。

 


从数据中心能耗结构中我们可以看出,想要显著减低 PUE,一个最直接的方法就是减少制冷系统的能耗,因为其在非 IT 设备能耗中占大头。为此,人们也是煞费苦心,祭出了不少大招儿。比如采用散热效率更高的液冷(水冷)方式,或者干脆将数据中心建造在环境温度较低的地区——甚至是在北极和海底。更高大上一些的做法还包括将 AI 技术引入到能耗管理中,谷歌就宣称建立了 PUE 的神经网络模型,采用基于机器学习的数据中心能耗管理方法,将总的制冷功耗降低约 40%, 从而使得数据中心的总功耗降低 15%左右。

 

从 IT 设备的电源管理入手

不过上面这些大小招数,都有一个共同之处,就是消除数据中心 IT 设备运行过程中已经产生的热量。而实际上除此之外,还有一个更为根本的措施,那就是从 IT 设备(比如服务器)自身出发,通过有效的电源管理提升其能效,尽可能减少能量损耗所产生的热量。只有在前端和源头的工作做得更好,后续冷却散热处理的压力才会更小。

 

半导体工艺的进步,是减少服务器中担负数据计算处理工作的 IC 能耗、提升其效率最基础的方法。不过大家也知道,工艺进入纳米级之后摩尔定律的推进速度日渐放缓,在有些方面可以说是举步维艰,因此单单指望这一个方面的努力,肯定是无法满足数据中心当下的节能增效之需的,因此我们还需要从其他一些细节之处去挖潜。

 

比如说服务器中主处理器所需的电能,都是经过外围的电源管理器件转化处理后提供的,而以往由于这些电源管理器件的外形尺寸问题,无法将其放置在处理器芯片的附近,而从电源管理器件到处理器之间较长的布线势必会导致额外的功率损耗,产生更多的热量。为此,就需要配套的电源管理器件朝向高效率和小型化的方向进行演进。

 

比如 TDK 新近开发的新款μPOL™ DC-DC 转换器,利用 3D 封装技术将电源管理 IC、电感器等元器件集成到一个仅为 3.3 mm × 3.3 mm × 1.5 mm 的封装中,且能够支持 6A 输出电流,与其他同类产品相比,解决方案尺寸缩小了一半,而功率密度则高达 1W/mm3。

 

图 2:采用 3D 封装的μPOL™ DC-DC 转换器尺寸更小,能量密度更高(图片来源:TDK)


这样的小型化设计,使得μPOL™ DC-DC 转换器在系统设计时可以尽可能靠近负载点,避免了由于布线距离长而产生的能耗。而且该器件自身还具有出色的散热特性,可以贴装在空气流动不佳的电路板背部,从而进一步提高设计灵活性并节省整个系统所占的空间。

 


图 3:μPOL™ DC-DC 转换器与以往产品的比较(图片来源:TDK)


未来世界将是数据驱动的,这已经成为了人们的共识;而为了实现这个目标,首先就要有足够的能量去“驱动”这些数据,在这个方面人们的体认也在不断深化。伴随着这一发展过程的,是一系列电源管理技术的进步。考虑到数据中心在未来世界能耗结构中的地位,我们从电源管理中获得的每 1%或者是 0.1%效率的提升,都会成为数据中心的“退热贴”,为数据中心的“健康”运转,乃至整个社会的节能减排做出实实在在的贡献。