新型高效電源架構(gòu)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能中心

    盡管汽車和重工業(yè)總被認(rèn)為是能源消耗的大戶，但實(shí)際上，看似潔凈的IT數(shù)據(jù)中心也隱藏著巨大的能耗問題。IT數(shù)據(jù)中心需要消耗大量的能量來為25,000到35,000個(gè)家庭提供服務(wù)，這引起了財(cái)務(wù)部門的警覺，也因此觸怒全球各地的環(huán)保分子。

    問題的關(guān)鍵在于電力傳輸效率低下，尤其體現(xiàn)在功率轉(zhuǎn)換、內(nèi)存泄露、冷卻以及配電損耗等。針對(duì)這些問題，世界頂尖的工程師們仔細(xì)研究了從配電到服務(wù)器和負(fù)載點(diǎn)電源的每一個(gè)環(huán)節(jié)以減少功率損耗。他們的工作帶來了架構(gòu)的突破，有望從根本上改變今后十年電力傳輸?shù)拿婷病?

    關(guān)于效率問題，美國Vicor公司的市場(chǎng)行銷售副總裁Stephen Oliver表示：“對(duì)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(shù)據(jù)中心的總電能消耗與IT設(shè)備本身的電能消耗之比，它由致力于提高IT數(shù)據(jù)中心能源效率的組織?D?DThe Green Grid聯(lián)盟所定義。

    在典型的美國數(shù)據(jù)中心中，阻礙電力傳輸鏈效率提升的因素有兩個(gè)：鏈路中的電源轉(zhuǎn)換次數(shù)與配電損耗。總效率低下是數(shù)據(jù)中心所有電源轉(zhuǎn)換以及諸如處理器、存儲(chǔ)器和磁盤驅(qū)動(dòng)器等元器件的效率造成的。比如，服務(wù)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(fā)出去。因此，冷卻設(shè)備的能源消耗也需要計(jì)入PUE值。圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心（SDSC）座落于加州大學(xué)圣地亞哥分校，其部門負(fù)責(zé)人Dallas Thornton相信數(shù)據(jù)中心的PUE值可以達(dá)到1.3到1.4。Thornton正為此而努力。他指出：“目前，一般數(shù)據(jù)中心PUE值在1.8以內(nèi)，一些低效數(shù)據(jù)中心的PUE值甚至超過2。”

提升電力系統(tǒng)效率

    為了提升效率，IT業(yè)界需要更高效的電源和改善電源系統(tǒng)管理方式。IT產(chǎn)業(yè)還必須考慮更高效的配電系統(tǒng)。當(dāng)然，冷卻系統(tǒng)的效率也必須得到優(yōu)化。除了冷卻系統(tǒng)外，其他環(huán)節(jié)的效率完全依賴于工程師對(duì)供電電源和服務(wù)器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

    圖中所示是典型的美國數(shù)據(jù)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(wù)器的供電單元（PSU）將208V輸入變換為12V直流。

    整個(gè)鏈路顯示了兩個(gè)阻礙效率提升的主要因素。首先，這條鏈路出現(xiàn)了很多電源轉(zhuǎn)換器。美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的項(xiàng)目經(jīng)理Bill Tschudi稱：“每當(dāng)你進(jìn)行AC和DC之間的轉(zhuǎn)換就會(huì)出現(xiàn)損耗，這種損耗轉(zhuǎn)換為熱量，而熱量必須被散出。”實(shí)際上，典型的雙向UPS設(shè)計(jì)首先將AC轉(zhuǎn)換為DC為電池充電，然后再轉(zhuǎn)換為AC為PDU供電。PDU變壓器增加了損耗，PSU也一樣，因?yàn)镻SU也需要進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換。

    另一個(gè)阻礙因素是配電損耗。PDU輸出相對(duì)低的208V電壓。雖然在圖中PDU看起來比較簡(jiǎn)單，實(shí)際上它可能為眾多服務(wù)器供電。相對(duì)低的電壓意味著系統(tǒng)具有相對(duì)高的電流。電流大非常不利，因?yàn)榕潆姄p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(yīng)將電壓盡量提高。”

    LBNL實(shí)驗(yàn)室的Tschudi正在進(jìn)行由州、聯(lián)邦政府以及公共事業(yè)公司資助的研究，該研究?jī)?nèi)容是實(shí)現(xiàn)380V直流配電方式，這樣同時(shí)減少配電損耗以及電源轉(zhuǎn)換帶來的損耗。在這個(gè)系統(tǒng)中，UPS可以直接供應(yīng)380V的直流電壓到采用DC/DC服務(wù)器的PSU。PDU仍然包含電源斷路器，但是不再有電源轉(zhuǎn)換器件。Tschudi強(qiáng)調(diào)：“如果你同時(shí)減少UPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換以及第一級(jí)的電源轉(zhuǎn)換，你將獲得9％左右的效率提升。”他指的是UPS輸出級(jí)的DC-AC轉(zhuǎn)換器，以及位于PSU的交流整流級(jí)。他所運(yùn)行的測(cè)試顯示節(jié)約了9％的能量，并聲稱這是最好的交流系統(tǒng)。■