Google释出48V数据中心设备电源架构方案 改善系统30%转换能耗

Maxim的48V解决方案。Maxim

Google在加入开放运算计划(Open Computer Project；OCP)的同时，也将其数据中心的研究成果释出，其中针对数据中心大量部署的服务器能耗问题、Google提出48V电源架构改善因应，成为新一代电源架构改革契机，透过高电压电源架构整合，号称可优化系统功耗达30%以上。

现今企业与个人对云端服务需求增加，对数据中心的服务需求越来越强，带来的能耗问题也日益受到关注，目前数据中心的能源耗用已占用全球用电量的2%，估计在2020年全美数据中心能源耗用将达到1,400亿度电力，透过更高效的能源使用也将对降低整体能耗。以往多将电脑系统能源转换重点放在PSU(Power supply unit)的转换能效，在绿色之星的要求下，PSU可以实现80%(80PLUS)甚至94%高能源转换效率，但实际上在PSU上节约的转换能效，再转至服务器的现实供电环境中，经不同功能模块需要的电压配置不同的层层转换，原有的高效转换率也会因为系统整体转换效率而出现落差。

数据机房耗电量高  优化电源架构改善

这也是为什麽在大型数据机房导入大量搭载高能源转换效率PSU的服务器后、PUE(Power UsageEffectiveness)仍高达1.8，即便在机房电力系统、服务器PSU电源转换效率要求提高，电力系统多方优化处理改善后，对于改善机房PUE的实际效用却相对有限。早期桌上型与服务器的电源设计，多半以12V电源架构作为基础，12V电源架构为主要驱动设备电压的相关设计亦沿用迄今，实际上在电脑内部运作的相关电路并不仅有12V供电来源，依驱动电路或模块差异，另有0.8/1.8/3.3/5V等不同差异，一般设计为以12V为基础，再透过转换电路取得其他电压供应需求。

多数系统沿用旧电源架构的主因在于12V电源架构使用相当久，相关电源产品设计已有丰沛参考资源可沿用，电源系统的设计与验证成本相对较低，也可避免系统开发因特殊电源架构设计还需担负其他开发风险，换用其他电源架构的必要性、甚至是迫切性并不高。然而，在单机系统产品变更电源架构的实际效益有限，但随着巨量运算甚至是IDC数据中心在服务需求持续北增、规模设备量持续扩大，旧电源系统的能耗问题也会因为设备量暴增而备受关注，尤其在环保、节能优化数据中心维运效能的趋势推动下，服务器设备的电源架构优化需求与呼声越来越高。

即便PSU大幅优化  不同电压转换仍影响转换效能

自市电转至PSU端，即便在旧电源架构可以达到高达94%转换能效，但市电在转换至12V后还需针对处理器、存储器与不同功能模块的电源需求进行分压、降压转换，往往整体能效经多重转换后仅能达到六成效益，绝大部分的能源都在转换过程浪费掉了。

以Google的角度检视，Google提供的全球化查找服务需仰赖大量服务器持续运行、优化其查找品质，此外，其重点社群、影音、网络硬盘、网络电子邮件等云端服务，对服务器的需求量也不遑多让，相关机房大量运算与储存设备产生的能耗，也成为Google亟欲改善的重点。以Google参与开放运算计划释出的电源优化方案观察，会发现Google针对服务器节能的改善重点摆在高电压架构方向，虽然较完整实作以48V电压架构为主，但实际上Google仍持续进行60V电源架构、甚至是380V电源供应架构持续进行相关系统架构研发。

Google提出48V电源架构  改善服务器电力转换能效

Google自实务设备功耗观察，以新式48V服务器电源架构，除直接转换供应提供给处理器的高电压外，另自+48V降压提供1.8V电源，以AC to +48V转换效率98%搭配自+48V降压取得之1.8V组成整体服务器所需电力供应架构，整体电源效率可以达到92.1%；反观若采行传统12VDC架构，电源供应系统由AC to +12V与+12V降转至PoL(1.8V)，由于高能耗之处理器、GPU等需要不只+12V还需经升压电路处理，整体系统电源转换仅能达到89.3%。新旧电源系统转换效率在设备量为小型机柜应用上可能看似差距不大，但换成大型机房设备动辄千百部服务器，少许2%~3%能源转换效率差异，就会形成显着的差距。

检视服务器的硬件架构会发现，整个服务器架构中，能耗占用最高的即处理器，尤其在处理器朝多核心、高效能趋势发展，部分处理器的电流甚至可以高达150A以上，而新一代的绘图加速芯片GPU能耗也越来越高，在最高耗能的功能区块进行电源转换优化，反而是解决服务器能耗问题的关键枢纽，而Google的48V电力架构就是针对处理器的供电进行第一阶重点电力转换，而服务器其他功能区块的电力需求再自48V转换取得，换取优化整体系统电能转换效率再提升的空间，经实际导入测试也获得验证。

电信设备已有使用48V电源架构前例  导入应用限制少

其实Google选择自48V电源架构进行电源优化的方向也并非创举，在部分大型电信设备早有使用48V电源架构的先例，这个电压级次在通信设备并不少见，已有略具规模的市场生态链架构，如机架式UPS、关键半导体组件、48V锂电池等，在数据机房应用都可以较低的成本导入新的系统应用，在各种机房电力效能优化方案中算是较具体且容易实现的优化方向。

另一方面是从外部市电电网自信息机房的电路总线方向检视，其实发展48V电源架构也具备电力传输优化优势，因为采行Google的48V电源架构，可自外部电网直至服务器处理器，仅经过一级转换取得48V驱动电力，这相较12V电源架构方案在电力线的能耗即可降低近30%传输损耗，虽然在其余服务器的低电压需求，仍须透过48V转换而来，但只要先解决服务器最大的能耗关键，次要电力转换需求可再针对48V降转各种低压元件进行重点优化，便可有效提升服务器设备整体电能使用效能。

48V电源架构只是过程  Google持续发展60V甚至更高电压架构

而Google也不会仅发展48V电源架构就能满足其数据机房电力性能优化方向，在加入OCP与将48V电力架构开源后，Google也正积极研发将电力架构扩展至60V配电架构的可能性，透过高电压架构更进一步扩展电源系统转换优化的可能性，甚至还将380V电源架构列为服务器配电技术架构发展的重点目标。

此外，由Google推进的48V电源架构，后续也有厂商积极发展更高电压的电力供应系统，但实际上在电力系统提升至60V高压供应方向时，因为60V供电即属于高电压配电的应用层次，反而在系统整合、电力配置方面会较48V架构多了额外的安全规范、系统安检要求，不仅成本与开发门槛会因此提高，但将电源系统转换至60V或更高电压标准，也是Google优化数据中心电源系统配置的重要研发方向，后续是否能如Google所愿导入更高电压电源架构，仍值得持续关注。