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利用新型高效电源架构应对数据中心的能耗挑战

上网日期: 2009年05月05日 ?? 作者: Victor Cai ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电源? 数据中心? 存储器?

尽管汽车和重工业总被认为是能源消耗的大户,但实际上,看似洁净的IT数据中心也隐藏着巨大的能耗问题。IT数据中心需要消耗大量的能量来为25,000到35,000个家庭提供服务,这引起了财务部门的警觉,也因此触怒全球各地的环保分子。

问题的关键在于电力传输效率低下,尤其体现在功率转换、内存泄露、冷却以及配电损耗等。针对这些问题,世界顶尖的工程师们仔细研究了从配电到服务器和负载点电源的每一个环节以减少功率损耗。他们的工作带来了架构的突破,有望从根本上改变今后十年电力传输的面貌。

关于效率问题,美国Vicor公司的市场行销售副总裁Stephen Oliver表示:“对于最终使用的每1W电力,我们必需输送2.3W的电力。” Oliver所指就是所谓的电能利用率(PUE)。PUE定义为数据中心的总电能消耗与IT设备本身的电能消耗之比,它由致力于提高IT数据中心能源效率的组织――The Green Grid联盟所定义。

在典型的美国数据中心中,阻碍电力传输链效率提升的因素有两个:链路中的电源转换次数与配电损耗。总效率低下是数据中心所有电源转换以及诸如处理器、存储器和磁盘驱动器等元器件的效率造成的。比如,服务器的供电电源大约有90%的效率。另外10%的能量没有得到有效利用,而这些能量损耗以热的形式散发出去。因此,冷却设备的能源消耗也需要计入PUE值。圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)座落于加州大学圣地亚哥分校,其部门负责人Dallas Thornton相信数据中心的PUE值可以达到1.3到1.4。Thornton正为此而努力。他指出:“目前,一般数据中心PUE值在1.8以内,一些低效数据中心的PUE值甚至超过2。”

提升电力系统效率

为了提升效率,IT业界需要更高效的电源和改善电源系统管理方式。IT产业还必须考虑更高效的配电系统。当然,冷却系统的效率也必须得到优化。除了冷却系统外,其他环节的效率完全依赖于工程师对供电电源和服务器设计进行优化。

图中所示是典型的美国数据中心所使用的功率传输链路。首先,交流电输入到不间断电源(UPS),一般相间电压为480V,相电压为277V。UPS输出到电源分配单元 (PDU)的电压和输入相同,而PDU包括电源断路器以及将输入电压降压到208V的变压器。服务器的供电单元(PSU)将208V输入变换为12V直流。

整个链路显示了两个阻碍效率提升的主要因素。首先,这条链路出现了很多电源转换器。美国劳伦斯伯克力国家实验室(LBNL)的项目经理Bill Tschudi称:“每当你进行AC和DC之间的转换就会出现损耗,这种损耗转换为热量,而热量必须被散出。”实际上,典型的双向UPS设计首先将AC转换为DC为电池充电,然后再转换为AC为PDU供电。PDU变压器增加了损耗,PSU也一样,因为PSU也需要进行AC/DC转换。

另一个阻碍因素是配电损耗。PDU输出相对低的208V电压。虽然在图中PDU看起来比较简单,实际上它可能为众多服务器供电。相对低的电压意味着系统具有相对高的电流。电流大非常不利,因为配电损耗和电流的平方成正比。为了使效率最大化,Vicor公司的Oliver称:“应将电压尽量提高。”

LBNL实验室的Tschudi正在进行由州、联邦政府以及公共事业公司资助的研究,该研究内容是实现380V直流配电方式,这样同时减少配电损耗以及电源转换带来的损耗。在这个系统中,UPS可以直接供应380V的直流电压到采用DC/DC服务器的PSU。PDU仍然包含电源断路器,但是不再有电源转换器件。Tschudi强调:“如果你同时减少UPS系统的转换以及第一级的电源转换,你将获得9%左右的效率提升。”他指的是UPS输出级的DC-AC转换器,以及位于PSU的交流整流级。他所运行的测试显示节约了9%的能量,并声称这是最好的交流系统。

图:典型的美国数据中心所使用的功率传输链路。
图:典型的美国数据中心所使用的功率传输链路。


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