到2020年末，數(shù)字宇宙 —— 一年內(nèi)創(chuàng)建、復(fù)制和消耗的所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的度量單位——將達(dá)到40澤字節(jié)（ZB，40×1024字節(jié)），這相當(dāng)于在2010年基礎(chǔ)上增長了50倍[1]。據(jù)思科系統(tǒng)公司（Cisco Systems）預(yù)測，到2015年末，僅全年的互聯(lián)網(wǎng)流量就將跨過1澤字節(jié)大關(guān)[2]。這些趨勢代表了推動中型和大型服務(wù)器應(yīng)用規(guī)模的數(shù)據(jù)環(huán)境變化的兩個指標(biāo)。

　　越來越多的訪問，更加密集的內(nèi)容，不斷擴(kuò)大的資源
　　消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)流量代表了全球數(shù)據(jù)傳輸空前的增長。思科預(yù)測，2012年至2017年間消費(fèi)者IP流量的年復(fù)合增長率（CAGR）為23％，主要由北美和亞太地區(qū)的用戶貢獻(xiàn)（見圖1）。但是，全球所有地區(qū)新用戶的增長速度均低于5％（見表1）。

　　圖字：按地區(qū)劃分的年度消費(fèi)者IP流量[艾字節(jié)，EB]
　　北美 – 23% CAGR
　　亞太 - 26% CAGR
　　西歐 - 17% CAGR
　　中東歐 - 24% CAGR
　　南美 – 17% CAGR
　　中東及非洲 – 42% CAGR
　　年
　　圖1：預(yù)計全球年度消費(fèi)者IP流量年均復(fù)合增長率將增長23％，遠(yuǎn)高于將支持的新用戶增長速度。
數(shù)據(jù)來源：思科系統(tǒng)公司。

　　地區(qū)     2012年接入人口 年度變化率
　　北美 81.6% 3.2%
　　中國 42.3% 4.0%
　　東亞及太平洋 41.4% 3.6%
　　歐盟 75.3% 2.1%
　　歐洲及中亞 63.2% 2.9%
　　南美及加勒比海 43.5% 4.6%
　　中東及北非 35.3% 0.4%

　　表1：按照地區(qū)劃分的全球互聯(lián)網(wǎng)接入市場滲透。資料來源：聯(lián)合國。

　　有三個關(guān)鍵因素導(dǎo)致了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出新的互聯(lián)網(wǎng)用戶增長速度的快速流量增長。典型手機(jī)用戶平均每天約144次查看他們的設(shè)備，產(chǎn)生了IP流量時間的46％[3]。由于公共熱點(diǎn)提供的基本接入無處不在，便攜式設(shè)備為用戶提供了在辦公和家庭范圍之外全天候獲取信息、通信和娛樂服務(wù)的方便。自2009年以來，一個正在加速的趨勢是，便攜式設(shè)備占整體流量的比例越來越大，以其目前的軌跡，到2015年中期將達(dá)到30％（見表2）。
　　日期 移動流量占全球流量百分比
　　2009年5月 0.9%
　　2010年5月 2.4%
　　2011年5月 6.0%
　　2012年5月 10.0%
　　2013年5月 15.0%

　　表2：2009 - 2013年移動流量占總互聯(lián)網(wǎng)流量的百分比。數(shù)據(jù)來源StatCounter。

　　內(nèi)容也已經(jīng)從主要基于文本轉(zhuǎn)向主要基于媒體。一張圖片的大小值可能是1000個字，而一個圖像可能很容易地占用五十萬字個字以上的數(shù)據(jù)空間。視頻是不斷增長的數(shù)據(jù)組合的一部分。僅YouTube上傳的視頻就已經(jīng)從2009年的每分鐘20小時增加到2013年的每分鐘100小時。

　　內(nèi)容提供商已經(jīng)通過各種任何東西點(diǎn)播（anything-on-demand，XOD）門戶網(wǎng)站在線提供了完整的電視劇和全長影片。大部分生產(chǎn)設(shè)施都已轉(zhuǎn)換到高清（HD）視頻格式，這需要標(biāo)清（SD）視頻四到五倍的帶寬。到2015年，視頻剪輯和流媒體電視節(jié)目的流量預(yù)計將超過網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)流量[4]。

　　現(xiàn)在，連網(wǎng)的設(shè)備比地球上的人還要多，設(shè)備的增長速度超過了人口的增長。思科預(yù)計，到2017年機(jī)器對機(jī)器（M2M）應(yīng)用中將有60億部設(shè)備貢獻(xiàn)IP流量。

　　增長的服務(wù)器密度
　　為了支持這一史無前例的流量增長，預(yù)計全球平均固定寬帶速度將從2012年的11 Mbps提高到2017年的39 Mbps。像那些支持谷歌光纖的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目可能會實(shí)現(xiàn)光纖到戶（FTTP），提供高達(dá)1 Gbps的服務(wù)。

　　作為響應(yīng)措施，服務(wù)器都采用了多核處理器，并增加了每個板的處理器數(shù)量。整體機(jī)架密度也已經(jīng)提高，從1996年的每機(jī)架7臺服務(wù)器達(dá)到2010年的每機(jī)架20臺服務(wù)器。機(jī)架功率也以同種方式增加了，從2000年的千瓦/機(jī)架達(dá)到2007年的10 kW/機(jī)架，今天許多新安裝的設(shè)備超過了20 kW/機(jī)架。

　　對于新設(shè)備和那些正在升級的服務(wù)器，這些趨勢已經(jīng)很難繼續(xù)用使用單相AC-DC轉(zhuǎn)換器的12 V電壓在機(jī)架級分配電能。

　　12 V配電的挑戰(zhàn)
　　基于12 V配電的典型服務(wù)器機(jī)架使用一個電力輸送單元（PDU），包括EMI電源濾波器和一個有480 V三相輸入和277 V單相輸出的Y型配置變壓器，它為機(jī)架的AC-DC轉(zhuǎn)換器供電。要為一個10 kW機(jī)架供電，俗稱銀盒的AC/DC轉(zhuǎn)換器必須為其IT負(fù)載組合提供超過800 A功率。原理圖示例如圖2所示。

　　圖字：UPS + PDU（包括電池和變壓器）
　　圖2：有單相AC配電和12 V服務(wù)器主板的高密度計算機(jī)架示意圖。

　　這些銀盒獨(dú)立工作，無需同步，導(dǎo)致其輸入電流波形出現(xiàn)了更豐富的諧波含量。轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正（PFC）電路可正確輸入相對于輸入電壓波形的電流波形，但隨著銀盒制造商在努力提高功率轉(zhuǎn)換效率，AC線路上的諧波含量也在不斷增加[5]。

　　例如，那些符合80-Plus Gold認(rèn)證的銀盒可提供92％的峰值效率，產(chǎn)生其輸入電流波形約5％的總諧波失真（THD）（相對于基波頻率）。符合80-Plus Titanium認(rèn)證的AC/DC轉(zhuǎn)換器可提供96％的峰值效率，產(chǎn)生約12％的總諧波失真。

　　此外，銀盒是異步操作，因此所產(chǎn)生的諧波電流與上游AC線相互作用，且通常在PDU或不間斷電源（UPS）中的三相變壓器內(nèi)組合，從而產(chǎn)生更寬的中、低頻諧波（幾Hz到幾kHz）。

　　最近的研究[5，6]表明，當(dāng)一個線路變壓器的電流波形的總諧波失真超過5％時，每增加2％的總諧波失真可產(chǎn)生額外1％的總功率損耗，通常發(fā)生在PDU（或UPS，或兩者）中。對于一個為80-Plus Titanium AC-DC轉(zhuǎn)換器供電的10 kW系統(tǒng)，正是由于電流總諧波失真的緣故，至少相當(dāng)于PDU耗散了350 W。系統(tǒng)設(shè)計人員必須估計PDU的大小，以適應(yīng)額外損耗，從而增加了機(jī)架的安裝成本，并影響整個系統(tǒng)的可靠性。

　　最終，隨著機(jī)架功率的持續(xù)增加，12 V配電開始出現(xiàn)更基本的問題。由于個別主板增加了內(nèi)核、內(nèi)存和I/O，細(xì)分（subdivide）電源的能力變得很有限，而實(shí)際和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的母線和電源輸入連接器的電流最大值會對整體機(jī)架密度產(chǎn)生負(fù)面的影響。在20 kW/機(jī)柜中，12 V電源架必須提供凈1.7 kA，而機(jī)架供電要求并沒有停滯不前。

　　48等于新的12
　　48 V配電設(shè)計在一些重要方面不同于超過配電方案操作潛力的12 V系統(tǒng)。最值得注意的是，48 V配電系統(tǒng)可以用一個400 V/480 V三相整流器來替代PDU變壓器和銀盒（原理圖示例如圖3所示）。一個現(xiàn)代整流器可產(chǎn)生約3％的總諧波失真，且很少超過5％，即使是在輕負(fù)載條件下。整流器數(shù)目的減少（由于較高的單位功率）和線路電流所消耗的本來就較低的諧波含量，導(dǎo)致系統(tǒng)級電流波形諧波要低得多。

　　圖字：48 V電池
　　整流器
　　48 V電池
　　54 V服務(wù)器，700 W
　　整流器

　　圖3：有54 V DC配電和集成短期備份的高密度計算機(jī)架示意圖。

　　服務(wù)器運(yùn)營商可以充分利用現(xiàn)有400 V/480 V三相AC至48 V DC設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這些設(shè)備已在電信和其他48 V應(yīng)用中廣泛使用。一個典型10 kW單元僅需2U（89 mm）的機(jī)架高度，即可提供≥97％的轉(zhuǎn)換效率和＜5％的總諧波失真。相比之下，400 V/480 V三相到12 V整流器是不實(shí)用的，因?yàn)樗蟹浅８叩碾娏鬏敵觥?/p>

　　導(dǎo)通損耗和導(dǎo)線尺寸的實(shí)際限制限制了電力可以經(jīng)濟(jì)地傳輸（基于12 V機(jī)架的系統(tǒng)）達(dá)到約5kW的距離。使用相同輸電基礎(chǔ)架構(gòu)的48 V配電可以提供20 kW——足以從一個三相整流器為整個服務(wù)器機(jī)架供電。

　　消除了機(jī)架中單相AC的DC配電戰(zhàn)略還簡化了電池備份的實(shí)現(xiàn)：電池組不需要通過一臺UPS逆變器來升頻轉(zhuǎn)換（up convert），進(jìn)而驅(qū)動AC-DC轉(zhuǎn)換器。相反，48 V備用電池可以通過一個管理轉(zhuǎn)換、電池充電、電池監(jiān)測和狀態(tài)報告的最小控制界面來驅(qū)動IT負(fù)載。

　　日益轉(zhuǎn)向48 V配電要求系統(tǒng)設(shè)計人員重新思考自己的板電源（board-power）策略。有幾個可以考慮的選項(xiàng)，不過也有一些比12 V設(shè)計使用的選項(xiàng)更簡單和尺寸更小。一個例子是Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計，它可以消除一個中間轉(zhuǎn)換級。Vicor的方法避免了多相位轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少了元件數(shù)量，并有助于在流行的36-60 V電信電壓范圍實(shí)現(xiàn)直接連接電源（包括備份）。元件數(shù)量的減少和更小的儲能要求允許設(shè)計人員讓電源傳送電路（power train）更靠近處理器，進(jìn)而降低與PCB走線長度大致成正比的損耗和寄生電感。

　　對于處理器和內(nèi)存之外的板上負(fù)載，單級降壓預(yù)計將實(shí)現(xiàn)整個服務(wù)器板的48 V配電。隨著越來越高的功率密度需求，散熱設(shè)計成為了一個日益受到關(guān)注的問題。封裝技術(shù)，如Vicor的轉(zhuǎn)換器級封裝（Converter housed in Package，ChiP）平臺兼容了雙面冷卻，可以簡化熱-機(jī)械設(shè)計。

　　總體而言，48 V配電設(shè)計比12 V方案使用材料的更少。其機(jī)架級材料清單更短，需要的銅更少。利用Vicor的符合48 V英特爾VR12.5標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，也避免了使用電解電容。凈效應(yīng)是更高的可靠性、更好的可擴(kuò)展性和更高的功率密度。

　　今天，服務(wù)器群的電力需求從早年的1 kW/機(jī)架增加到了20 kW。數(shù)據(jù)流量趨勢正在加速，預(yù)計在不久的將來需求將達(dá)到30 kW/機(jī)架。

　　在一段距離上的電流幅值和功率傳遞的實(shí)際限制迫使人們安裝高密度服務(wù)器，從12 V配電轉(zhuǎn)向48 V設(shè)計。這種轉(zhuǎn)變帶來的是12 V系統(tǒng)無法提供的好處。

　　當(dāng)板上轉(zhuǎn)換器直接以48 V運(yùn)行時，48 V電源特別具有吸引力。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少元件數(shù)量、能量儲存和損耗，同時提高可靠性。諸如ChiP的新的封裝技術(shù)允許雙面冷卻并簡化散熱設(shè)計。

　　48 V DC配電提供了一個可以隨預(yù)見的服務(wù)器部署規(guī)模提升的高功率密度。

Vicor
參考文獻(xiàn)：
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