Google釋出48V資料中心設備電源架構方案 改善系統30%轉換能耗

Maxim的48V解決方案。Maxim

Google在加入開放運算計畫(Open Computer Project；OCP)的同時，也將其資料中心的研究成果釋出，其中針對資料中心大量部署的伺服器能耗問題、Google提出48V電源架構改善因應，成為新一代電源架構改革契機，透過高電壓電源架構整合，號稱可優化系統功耗達30%以上。

現今企業與個人對雲端服務需求增加，對資料中心的服務需求越來越強，帶來的能耗問題也日益受到關注，目前資料中心的能源耗用已佔用全球用電量的2%，估計在2020年全美資料中心能源耗用將達到1,400億度電力，透過更高效的能源使用也將對降低整體能耗。以往多將電腦系統能源轉換重點放在PSU(Power supply unit)的轉換能效，在綠色之星的要求下，PSU可以實現80%(80PLUS)甚至94%高能源轉換效率，但實際上在PSU上節約的轉換能效，再轉至服務器的現實供電環境中，經不同功能模組需要的電壓配置不同的層層轉換，原有的高效轉換率也會因為系統整體轉換效率而出現落差。

資料機房耗電量高  優化電源架構改善

這也是為什麼在大型資料機房導入大量搭載高能源轉換效率PSU的服務器後、PUE(Power UsageEffectiveness)仍高達1.8，即便在機房電力系統、服務器PSU電源轉換效率要求提高，電力系統多方優化處理改善後，對於改善機房PUE的實際效用卻相對有限。早期桌上型與服務器的電源設計，多半以12V電源架構作為基礎，12V電源架構為主要驅動設備電壓的相關設計亦沿用迄今，實際上在電腦內部運作的相關電路並不僅有12V供電來源，依驅動電路或模組差異，另有0.8/1.8/3.3/5V等不同差異，一般設計為以12V為基礎，再透過轉換電路取得其他電壓供應需求。

多數系統沿用舊電源架構的主因在於12V電源架構使用相當久，相關電源產品設計已有豐沛參考資源可沿用，電源系統的設計與驗證成本相對較低，也可避免系統開發因特殊電源架構設計還需擔負其他開發風險，換用其他電源架構的必要性、甚至是迫切性並不高。然而，在單機系統產品變更電源架構的實際效益有限，但隨著巨量運算甚至是IDC資料中心在服務需求持續北擴增、規模設備量持續擴大，舊電源系統的能耗問題也會因為設備量暴增而備受關注，尤其在環保、節能優化資料中心維運效能的趨勢推動下，服務器設備的電源架構優化需求與呼聲越來越高。

即便PSU大幅優化  不同電壓轉換仍影響轉換效能

自市電轉至PSU端，即便在舊電源架構可以達到高達94%轉換能效，但市電在轉換至12V後還需針對處理器、記憶體與不同功能模組的電源需求進行分壓、降壓轉換，往往整體能效經多重轉換後僅能達到六成效益，絕大部分的能源都在轉換過程浪費掉了。

以Google的角度檢視，Google提供的全球化搜尋服務需仰賴大量服務器持續運行、優化其搜尋品質，此外，其重點社群、影音、網路硬碟、網路電子郵件等雲端服務，對服務器的需求量也不遑多讓，相關機房大量運算與儲存設備產生的能耗，也成為Google亟欲改善的重點。以Google參與開放運算計畫釋出的電源優化方案觀察，會發現Google針對服務器節能的改善重點擺在高電壓架構方向，雖然較完整實作以48V電壓架構為主，但實際上Google仍持續進行60V電源架構、甚至是380V電源供應架構持續進行相關系統架構研發。

Google提出48V電源架構  改善服務器電力轉換能效

Google自實務設備功耗觀察，以新式48V伺服器電源架構，除直接轉換供應提供給處理器的高電壓外，另自+48V降壓提供1.8V電源，以AC to +48V轉換效率98%搭配自+48V降壓取得之1.8V組成整體服務器所需電力供應架構，整體電源效率可以達到92.1%；反觀若採行傳統12VDC架構，電源供應系統由AC to +12V與+12V降轉至PoL(1.8V)，由於高能耗之處理器、GPU等需要不只+12V還需經升壓電路處理，整體系統電源轉換僅能達到89.3%。新舊電源系統轉換效率在設備量為小型機櫃應用上可能看似差距不大，但換成大型機房設備動輒千百部服務器，少許2%~3%能源轉換效率差異，就會形成顯著的差距。

檢視服務器的硬體架構會發現，整個服務器架構中，能耗佔用最高的即處理器，尤其在處理器朝多核心、高效能趨勢發展，部分處理器的電流甚至可以高達150A以上，而新一代的繪圖加速晶片GPU能耗也越來越高，在最高耗能的功能區塊進行電源轉換優化，反而是解決服務器能耗問題的關鍵樞紐，而Google的48V電力架構就是針對處理器的供電進行第一階重點電力轉換，而服務器其他功能區塊的電力需求再自48V轉換取得，換取優化整體系統電能轉換效率再提升的空間，經實際導入測試也獲得驗證。

電信設備已有使用48V電源架構前例  導入應用限制少

其實Google選擇自48V電源架構進行電源優化的方向也並非創舉，在部分大型電信設備早有使用48V電源架構的先例，這個電壓級次在通信設備並不少見，已有略具規模的市場生態鏈架構，如機架式UPS、關鍵半導體組件、48V鋰電池等，在資料機房應用都可以較低的成本導入新的系統應用，在各種機房電力效能優化方案中算是較具體且容易實現的優化方向。

另一方面是從外部市電電網自資訊機房的電路總線方向檢視，其實發展48V電源架構也具備電力傳輸優化優勢，因為採行Google的48V電源架構，可自外部電網直至服務器處理器，僅經過一級轉換取得48V驅動電力，這相較12V電源架構方案在電力線的能耗即可降低近30%傳輸損耗，雖然在其餘服務器的低電壓需求，仍須透過48V轉換而來，但只要先解決服務器最大的能耗關鍵，次要電力轉換需求可再針對48V降轉各種低壓元件進行重點優化，便可有效提升服務器設備整體電能使用效能。

48V電源架構只是過程  Google持續發展60V甚至更高電壓架構

而Google也不會僅發展48V電源架構就能滿足其資料機房電力性能優化方向，在加入OCP與將48V電力架構開源後，Google也正積極研發將電力架構擴展至60V配電架構的可能性，透過高電壓架構更進一步擴展電源系統轉換優化的可能性，甚至還將380V電源架構列為服務器配電技術架構發展的重點目標。

此外，由Google推進的48V電源架構，後續也有廠商積極發展更高電壓的電力供應系統，但實際上在電力系統提升至60V高壓供應方向時，因為60V供電即屬於高電壓配電的應用層次，反而在系統整合、電力配置方面會較48V架構多了額外的安全規範、系統安檢要求，不僅成本與開發門檻會因此提高，但將電源系統轉換至60V或更高電壓標準，也是Google優化資料中心電源系統配置的重要研發方向，後續是否能如Google所願導入更高電壓電源架構，仍值得持續關注。