数据中心功率密度不断攀升，电源互连挑战如何应对？

随着生成式AI等高性能计算的发展，对算力的需求快速攀升，与此同时人们也越来越深刻地意识到“算力的背后是电力”，因此数据中心的建设在“堆加速卡”的同时，功率密度不断跃升的挑战也必须认真面对。

传统的企业级数据中心单机柜功率通常为8-10kW，而超大规模数据中心单机柜功率正快速迈向100kW以上，部分高端设施甚至超过200kW。根据高盛预测，而到2027年，AI服务器机柜所需的功率将是五年前云端机柜的50倍！

为了应对数据中心功率密度的挑战，需要全方位的技术迭代升级，在其中电源互连系统的设计是不可或缺的一环。

数据中心电源互连场景

在数据中心电源系统中，从外部交流电输入到为算力芯片供电，整个电源传输链路上涉及多个电源互连节点，理解这些场景的设计要求，是互连产品选型和方案开发的第一步。

通常来讲，数据中心电源互连场景包括以下五个层级：

1、交流输入至机柜电源

将市电或UPS输出的交流电接入机架电源单元（PSU），是整个数据中心电源互连系统的第一环，随着数据中心耗电量的激增，载流能力成为这一场景中需要优先考量的因素。

2、机架PSU至母线供电

在PSU将高压交流电转为48V（或12V）直流电后，通过电缆组件等互连产品，传输到机架内的垂直/水平母线。除了支持大电流 (大功率) 传输，此场景的电源互连方案还要考虑到机架内有限的空间，进而提供低接触电阻、更大插配容差等特性。

3、母线至机架内IT设备

母线沿机架延伸，将电能传输至服务器托盘或计算滑轨所提供的取电接口。这一场景同样对电源互连产品的高载流、低接触电阻、插配容差性能有很高的要求。

4、IT设备接口至主板

机架中的IT设备从母排取电后，通过设备内部电源输入端子传输至设备主板。由于已经“深入”到设备的内部，所以此场景中对于互连产品的小型化更为敏感。

5、设备内部板级配电

进入设备主板的电力，进一步分配给GPU、CPU、内存、存储等负载；在高密度计算架构中，有时还需要考虑在夹层式设计或多板卡堆叠应用中的板对板互连，这无疑需要在尽可能小的占板面积下实现更高电流的传输，极考验互连产品的高功率密度能力。

数据中心电源互连的挑战

从上述的分析中我们不难看出：面对不断攀升的数据中心电力需求，各层级的电源互连产品都面临着新的挑战。归纳起来，这些挑战包括：

功率密度急剧增加

单机柜功率密度从传统10kW级别增长至100kW以上，意味着数据中心配电网络中的每一个环节，都必须承受更高的电流负载，这对连接器和电缆组件的载流能力提出了更高的要求。

热管理挑战凸显

与大电流所伴生的，是更大的发热量。电流通过连接器本身的接触电阻转化为热量，会造成自身或周边电路的温升，进而影响整体的系统稳定性，这一挑战在有限的密闭空间内会更为突出。虽然数据中心也在尝试通过更先进的冷却技术进行高效“降温”，但从连接器等互连产品自身进行优化，降低接触电阻，减少系统的热管理负担和成本，仍然十分必要。

空间制约愈发严苛

由于要在有限的空间内承载更大的算力，不论是在机架内，还是在IT设备内部PCB上，核心算力组件占据着越来越多的空间，因此留给电源传输和互连的“地盘”不可避免地会被不断压缩，电源互连方案的小型化愈发重要。同时，产品外形“压缩”与大功率、热管理之间的矛盾，也是必须解决的核心课题。

架构可扩展性的要求

随着市场需求的发展，数据中心架构一直在快速迭代中。在这个过程中，电源互连方案的设计如何确保前瞻性和灵活性，在应对当下设计要求的同时，也能为未来的技术演进留出足够的可扩展空间，也是一个重要的考量。

为了有效应对上述数据中心电源互连挑战，业界也一直在协同努力。其中，一个卓有成效的举措就是开放计算项目 (OCP) 机架和电源小组着力打造的Open Rack V3 (ORV3) 机架标准，它通过一种标准化的方法，适应不断变化的数据中心需求，同时注重效率和兼容性，为数据中心电源机架基础设施的构建——也包括电源互连的实施——提供了一个高效和可持续的发展路线图。跟随这一路线图，有助于工程师打造可扩展、适应性强的配电基础设施，并不断采用新技术，实现系统的无缝升级。

上文所述的挑战和趋势，实际上也为连接器厂商追逐数据中心发展浪潮、提供具有竞争力的电源互连解决方案指明了策略方向：

一方面，从微观层面，通过技术创新和优化，不断打磨产品，以适应高功率密度、热管理和小型化等方面的更高要求；

另一方面，从宏观层面，与主流的行业标准绑定，亦步亦趋，满足应用多样性和未来扩展性所需。

Molex数据中心电源互连方案

Molex就是按照这样的策略，进行数据中心电源互连产品和技术布局的。如今，针对数据中心电源架构中各个互连应用场景，Molex都有高度匹配的解决方案。

PowerPlane OCP ORV3电缆组件

PowerPlane OCP ORV3电缆组件是Molex为兼容OCP ORV3架构标准而设计的高载流机架电源互连方案，以满足更高效、更灵活的数据中心配电架构的需求。该产品的几个核心特性包括：

大载流：PowerPlane OCP ORV3电缆组件在静止空气条件下额定电流可达360A；在300LFM、+45°C的气流条件下更是高达500A，可以轻松应对大功率传输的挑战。

低接触电阻：电缆组件焊接触点均采用镀银高导电性铜合金制造，镍底层作为过渡层，支持多达50次插拔，且额定电流下接触电阻仅0.55mΩ，在提供优异电气性能同时可有效减少产生的热量。

高配接容差：安装公差兼容是机柜级互连的核心痛点之一。PowerPlane OCP ORV3电缆组件在垂直和水平方向均可提供±3.00mm的浮动范围，能够有效补偿安装错位，极大降低了现场装配的精度要求，减少因对位不良导致的接触可靠性问题和维护难度。

优化系统设计：该产品可选配的一体化底盘接地触点，能够省去单独的二次接地连接；同时提供高度可靠的导线端接方式，便于灵活端接不同的线束；此外两侧可选配的感应触点，支持热插拔控制器，可实现在线维护和系统保护，对于保障数据中心连续运行大有裨益。

图1：PowerPlane OCP ORV3电缆组件（图源：Molex）

Sentrality大电流互连系统

针对数据中心母线互连相关场景，Molex推出了Sentrality大电流互连系统，其采用支持高电压、高电流的插针和插座连接器，提供3.40mm、6.00mm、8.00mm和11.00mm四种插针尺寸规格，具有30A到350A的高载流能力，覆盖从辅助供电到主干供电的广泛需求。

Sentrality互连系统的高载流能力，得益于Molex特有的COEUR插座技术，该插座设计有多个接触柱，可在触点端口形成更大的接触面，从而实现极低的接触电阻和电压降，更大程度地减少发热。对于母线级别的大电流主干互连，这种低接触电阻特性在节能、降温和延长设备寿命方面优势尤为突出。

图2：COEUR插座技术（图源：Molex）

Sentrality互连系统的另一个“过人之处”是提供了出色的自对准和浮动功能。由于机械设计中固有的公差叠加，在母排互连时插座和插针的精准对位很具有挑战性。Sentrality互连系统采用Molex专有OmniGlide技术，可提供高达+/-1.00mm的径向自对准能力，同时其还具有浮动功能，可大大减少在插配过程中的错位风险，以及可能由此造成的连接器损坏。

设计灵活性是Sentrality的另一大特色。该产品提供多种板连接选项：插针可选用螺丝安装、表面贴装或滚花免焊压接式方式连接到PCB或母排；插座则可选用表面贴装或滚花免焊压接方式。此外，Sentrality插针和插座互连产品的高度仅为10.00mm，并可以根据客户应用定制位于PCB上插座法兰，对设计进行优化。这些特性使得Sentrality能够灵活适配多样化的系统架构，降低整体BOM复杂度和设计周期。

图3：Sentrality大电流互连系统（图源：Molex）

UltraWiz™线对板电源连接器

既要载流大、又要占板小——这是板级电源连接器面临的核心挑战。针对数据中心板级大电流供电的这一痛点，Molex推出了UltraWiz™线对板电源连接器。

为了实现“载流大”，UltraWiz™线对板电源连接器也采用了COEUR插座设计，该技术采用多柱锥形插座结构，在插配完成后形成更大的导电接触面积，从而显著降低接触电阻和电压降，从源头减少了发热量，令连接器载流能力高达170A。

在“占板小”方面，UltraWiz™线对板电源连接器也有自己的“绝活儿”——它采用电缆侧面出口设计，这一设计巧妙地消除了对线缆弯曲半径的空间预留需求，有效降低了堆叠高度，有利于提升功率密度。同时，交错排列的引脚设计，也使得该连接器在PCB上占用的空间大幅缩减，为主板上容纳其他更多组件提供额外的空间。

UltraWiz™线对板电源连接器还采用了许多提升可靠性的设计，如压力锁紧装置可确保连接器牢固插配，防止连接器被意外拔出；机械键控定位栓可确保正确插配，减少生产和装配过程中的错误插接。此外，该连接器符合UL 94V-0阻燃等级，工作温度范围覆盖-40°C至125°C，能够适应数据中心严苛的环境要求。

图4：UltraWiz™线对板电源连接器（图源：Molex）

本文小结

根据国际能源署IEA的数据，全球数据中心耗电量将从2024年的415TWh增长至2030年的950 TWh，六年内增长超过一倍，而AI专用数据中心的增速远超整体数据中心行业，到2030年AI数据中心耗电量将占总量近一半。

对于数据中心来讲，算力“大跃进”背后，功率密度挑战日益凸显，也推动着数据中心电源互连产品的优化和升级，以具备诸多关键特性，如在大电流下保持低接触电阻与低压降、在紧凑封装中减少发热、在盲插环境下提供更大的插配容错和操作便利性、适应数据中心电源架构多样性和持续发展的要求……

应对数据中心功率密度提升的挑战，Molex推出了覆盖整个数据中心配电链路的电源互连产品，业已成为今天以及未来数据中心基础设施建设不可或缺的技术基石。

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