新型高效電源架構數據中心的節能中心

    盡管汽車和重工業總被認為是能源消耗的大戶，但實際上，看似潔凈的IT數據中心也隱藏著巨大的能耗問題。IT數據中心需要消耗大量的能量來為25,000到35,000個家庭提供服務，這引起了財務部門的警覺，也因此觸怒全球各地的環保分子。

    問題的關鍵在于電力傳輸效率低下，尤其體現在功率轉換、內存泄露、冷卻以及配電損耗等。針對這些問題，世界頂尖的工程師們仔細研究了從配電到服務器和負載點電源的每一個環節以減少功率損耗。他們的工作帶來了架構的突破，有望從根本上改變今后十年電力傳輸的面貌。

    關于效率問題，美國Vicor公司的市場行銷售副總裁Stephen Oliver表示：“對于最終使用的每1W電力，我們必需輸送2.3W的電力。” Oliver所指就是所謂的電能利用率(PUE)。PUE定義為數據中心的總電能消耗與IT設備本身的電能消耗之比，它由致力于提高IT數據中心能源效率的組織?D?DThe Green Grid聯盟所定義。

    在典型的美國數據中心中，阻礙電力傳輸鏈效率提升的因素有兩個：鏈路中的電源轉換次數與配電損耗。總效率低下是數據中心所有電源轉換以及諸如處理器、存儲器和磁盤驅動器等元器件的效率造成的。比如，服務器的供電電源大約有90％的效率。另外10％的能量沒有得到有效利用，而這些能量損耗以熱的形式散發出去。因此，冷卻設備的能源消耗也需要計入PUE值。圣地亞哥超級計算機中心（SDSC）座落于加州大學圣地亞哥分校，其部門負責人Dallas Thornton相信數據中心的PUE值可以達到1.3到1.4。Thornton正為此而努力。他指出：“目前，一般數據中心PUE值在1.8以內，一些低效數據中心的PUE值甚至超過2。”

提升電力系統效率

    為了提升效率，IT業界需要更高效的電源和改善電源系統管理方式。IT產業還必須考慮更高效的配電系統。當然，冷卻系統的效率也必須得到優化。除了冷卻系統外，其他環節的效率完全依賴于工程師對供電電源和服務器設計進行優化。

    圖中所示是典型的美國數據中心所使用的功率傳輸鏈路。首先，交流電輸入到不間斷電源（UPS），一般相間電壓為480V，相電壓為277V。UPS輸出到電源分配單元 (PDU)的電壓和輸入相同，而PDU包括電源斷路器以及將輸入電壓降壓到208V的變壓器。服務器的供電單元（PSU）將208V輸入變換為12V直流。

    整個鏈路顯示了兩個阻礙效率提升的主要因素。首先，這條鏈路出現了很多電源轉換器。美國勞倫斯伯克力國家實驗室(LBNL)的項目經理Bill Tschudi稱：“每當你進行AC和DC之間的轉換就會出現損耗，這種損耗轉換為熱量，而熱量必須被散出。”實際上，典型的雙向UPS設計首先將AC轉換為DC為電池充電，然后再轉換為AC為PDU供電。PDU變壓器增加了損耗，PSU也一樣，因為PSU也需要進行AC/DC轉換。

    另一個阻礙因素是配電損耗。PDU輸出相對低的208V電壓。雖然在圖中PDU看起來比較簡單，實際上它可能為眾多服務器供電。相對低的電壓意味著系統具有相對高的電流。電流大非常不利，因為配電損耗和電流的平方成正比。為了使效率最大化，Vicor公司的Oliver稱：“應將電壓盡量提高。”

    LBNL實驗室的Tschudi正在進行由州、聯邦政府以及公共事業公司資助的研究，該研究內容是實現380V直流配電方式，這樣同時減少配電損耗以及電源轉換帶來的損耗。在這個系統中，UPS可以直接供應380V的直流電壓到采用DC/DC服務器的PSU。PDU仍然包含電源斷路器，但是不再有電源轉換器件。Tschudi強調：“如果你同時減少UPS系統的轉換以及第一級的電源轉換，你將獲得9％左右的效率提升。”他指的是UPS輸出級的DC-AC轉換器，以及位于PSU的交流整流級。他所運行的測試顯示節約了9％的能量，并聲稱這是最好的交流系統。■