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提高連接器空間強化密度 資料中心電源管理效率大增
對於現代的連接器設計來說,一方面對電源的要求一直在穩步提升,也因此,令解決空間和發熱問題亦變得越來越重要。
如今,全球每分鐘的網路傳輸量將近9,000萬筆,也就是每秒鐘150萬次。全部的電子郵件、應用下載、視訊傳輸、社交媒體互動,以及零售購買等,都是透過一個全球性的資料中心網路而實現的。在交換機、路由器及冷卻設備所構成的網路的支援下,這些資料中心可以容納多達10,000台的伺服器,而這一切設備都要依靠越來越多的電力才能良好運行。
根據研究單位預估,美國資料中心的耗電量每五年就會倍增,這樣,對於支付電費的資料中心業主、必須根據需要提供電力的電氣公用事業部門,以及關心著大規模發電所產生的廣泛影響的政府官員們來說,電力的消耗速度正越來越多,相當值得關注。
向資料中心輸送電力的網路,同時也在向家庭和商業供電;然而,儘管美國家庭一般是使用220伏的電力,資料中心卻必須採用數千伏的電壓才能滿足處理器執行在電力上的巨大需求,這些處理器在計算能力上處於核心地位,推動著網際網路的運作。
轉換與分配決定電源架構效率
資料中心採用一種稱為「電源單位效率」的方法來評估電源架構的效率,此方法也稱為PUE。
PUE是將輸送到資料中心的總功率除以輸送到關鍵負載(伺服器)的功率,而理想的PUE值為1。舉例來說,1.7的PUE意味著,每向負載輸送1瓦的功率,在配電和冷卻上就要損失掉0.7瓦。根據報導,2018年對資料中心測得的PUE水準在1.6左右。
最重要的轉換過程之一就發生在機架上。為了達到所需的計算能力,會需要數千台的伺服器。除了伺服器以外,還要利用交換機來管理伺服器之間,以及從伺服器到外界的通訊。
在大量的電力所輸送到的機架上,容納著30~35台的1U伺服器,這些伺服器越來越多地利用3,000千瓦的供電機組(PSU)來供電。
PSU通常位於機架的底部,可以將電力轉換成電壓水準各不相同的電源軌。以208伏直流電壓進入到PSU的電力將轉換為3.3、5和12伏的電源軌,從而滿足伺服器和交換機內部各種不同元件的需求,例如含處理器的主機板、適配器卡和顯示卡、PCIe和記憶體等等。
此外,機架中還會容納提供冷卻氣流所需的大量風扇。輸送到伺服器的很大一部分電力都會轉換成熱量。在電力從交流轉換成直流,以及從直流轉換成直流的過程中,在轉換過程中自然而然會發生這種熱損失。
封裝/熱為功率管理兩大挑戰
對這種與日俱增的功率進行管理,在涉及到封裝空間和熱管理的時候,就會產生巨大的挑戰。儘管對電源的需求一直在穩步提升,為電源以及背部的重要連接器分配的空間卻並沒有發生過變化。
回到伺服器部署的早期時候,伺服器系統基礎設施(SSI)要求使用400~600瓦的電源,而電源I/O則會使用4~6台葉片式電源,其中每個葉片的額定電流為30安,從而將所需的功率輸送到伺服器。時至今日,對於連接器企業的要求則是電源I/O在相同空間內承載的電流能夠達到以前的三倍。
基準性的規範可能會需要6~8台葉片式電源,其中每個葉片能夠承載70~80安的電流,並且溫升(即T-rise)不超過30度。在確定這類電源連接器的額定值時,對電流進行測量可以作為一種很直觀的方式。
然而,溫升的測量則極其的複雜,像是連接器內部熱電偶的位置等問題,會對溫度的測量產生影響。PSU中線路層含銅的印刷電路板、線路層的厚度以及體積上的設計,都會與溫升有關。在熱評估過程中,往往會觀測到熱量從印刷電路板傳遞到連接器,由於連接器的供應商並不希望使連接器起到散熱片的作用,這就引起了一場關於適當的熱平衡的討論。
加強連接器密度降低資料中心成本
連接器的設計人員現在不得不去考慮各種具有創造性的熱量和電流管理解決方案。儘管在連接器的額定值計算中不能將氣流考慮在內,目前在外殼中經常會設計通風功能,以便耗散掉熱量並防止過熱。
由基礎物理學得知,為承載更多電流,需要的只不過是更多銅材料。在銅合金領域取得的進步可以提高導電性,但這些進步並不會跟得上對更高電流密度的需求。同樣,觸點設計上的改進可以改善PSU介面和連接點之間經常發生的功率損耗的情況,這種連接點可能是互連系統的插入部分,有時候也會是印刷電路板的卡邊緣,但是並不能依靠這些改進成果來顯著的提高電流密度。
廣大的客戶目前正要求連接器的設計人員來減小電源觸點之間的中線間距;然而,縮小間距會在印刷電路板的體積上以及連接器本身的內部造成相互發熱的問題。
連接器在過去40年來主要圍繞著提高密度而發展。但是,業界現在正走向另一個階段,那就是必須考慮增加空間以提高功率,或者是對用於評估連接器效能和額定值的慣例進行檢驗。據認為,資料中心的電效率每提高1%,就會節省數以百萬美元計的成本。由於節省成本的潛力是如此之大,在資料中心的業主、電氣公用事業的提供商以及政府官員之間的活躍討論當然還會繼續進行一段時間。
(本文作者為Molex電源產品總監)