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软件定义的电源架构潜力无限

Mark Adams?? CUI Inc 高级副总裁?? 2016年02月16日 ?? 收藏1
前言: 网络基础架构承压

现代化生活方式和工作模式日益依赖存储、访问、处理和分享数据。我们能够通过智能数字设备随意创建内容,并且通过互联网立即发布。当然,现代企业是在线数据的庞大用户,政府机构则负责维护公共服务安全并且改善服务提供的质量。

根据来自思科(Cisco)的资料,到2018年数据中心流量将会超过8.6 泽字节(Zettabytes),而且,移动数据流量的增长速度更会超过固定的IP流量,日后5G技术的采用还将加速这一发展趋势。

随着物联网变为万联网(Internet of Everything),而且包括移动在内的更多生活方面日益变为电子方式管理,因此我们对于数据的依赖性一定会越来越强。自动驾驶汽车将会带来空前的数据收集、分析、分享和存储需求,特别是众多车辆和高速公路传感器会从不同的角度监视相同的事件。我们可以想像一下,未来世界将会有数万亿传感器持续不断收集和传递数据。而且,一些急性子的消费者和实时服务(比如智能驾驶)将要求即时响应,这进一步加剧了对于基础设施的压力。

图1:万联网(Internet of Everything)正在渗透几乎每一种应用,带来一个拥有数万亿个传感器的持续收集、分享和分析数据的未来世界。
图1:万联网(Internet of Everything)正在渗透几乎每一种应用,带来一个拥有数万亿个传感器的持续收集、分享和分析数据的未来世界。

许多企业正在努力跟进永无止境增长的数据处理、计算和存储需求,同时还要努力控制运营成本。使得事情更糟的是,我们在生活的各个方面对于数据服务的依赖性日益增长,这意味着任何服务中断的后果变得更加严重。网络和数据中心是整个世界的现代化生活的基础,当然必需保持最高的可靠性和最大化的正常运行时间。

值得一提的是,这些预测所提到的海量传感器并非全部都是用于增强现已十分舒适的生活方式:一些业界支持的活动,比如万亿传感器峰会(TSensors Summit) ,向人们展示上万亿联网传感器将如何被用于帮助世界上最贫困地区应对食物、能源、水、卫生健康和教育短缺的问题。

对能源的需求

对于现今的数据服务供应商来说,最大的运营成本就是来自于给计算机持续提供能源使其保持正常运行。数据中心运营商知道,在三年的典型服务器使用寿命周期内,给一台服务器供电所需的费用比购买整套硬件本身的费用还要高。另外,为了保持推荐的工作温度而使用空调等措施的费用,也占据了运营成本很大的一部分。运营商积极降低这些成本费用,以致于他们有意在斯堪的纳维亚半岛和美国北部等地区建立运营装置,这些地区气候寒冷,而且附近有水力发电等低成本的可靠能源。

现代化生活的始终连接特性,意味着对于数据基础架构的需求是极其动态的。例如,社交媒体能够对实时发生的世界事件做出实时响应,比如自然灾害或政治危机,甚至重大的体育赛事,这将导致突发猛增的数据传输流量。基础架构需要在所有条件下以最佳效率来运行,并且处理好从最小到最大活动性的快速转换,而不影响服务的可用性。自适应电源管理是这个世界满足未来数据需求的必不可少的要素。

转向软件定义电源

数据中心架构师已经成功地使用虚拟化技术来提高服务器的使用率,从而帮助降低大型设备成本和为闲置服务器供电的成本。虚拟化技术使得计算架构变成软件可定义的。与此同时,电源设计也有进展。

许多数据中心和网络基础架构运营商正在从相对缺少灵活性的模拟技术转向数字电源,后者具有更强的适应性,可确保最佳的效率。然而,有些人仍然以看待模拟前期产品差不多的眼光来看待数字转换器,这样就存在着这些数字转换器只能发挥一小部分潜能的风险,无法有效地提升效率和降低运营成本。对电源架构来说,下一个合理的发展是变成为软件定义的架构以充分利用数字电源的适应性,并且引入软件控制方法,根据运营情况的变化持续管理电源。

对于电源设计和开发人员,以及数据中心运营商来说,软件定义的电源架构均具有潜在的好处,在软件级改变设计的能力,有望消除硬件设计的风险,并且在未来加快完成项目的速度。幸运地,我们可以快速、轻易地实施从模拟电源架构向软件定义电源的转变,无需开发新的技术或设计IP。

在实际使用中,软件定义的电源架构将能够应对数据中心设计人员和运营商面临的诸多挑战,考虑到由于半导体工艺的变化而引致各个电路板之间存在微小差异,数字电源架构已经允许通过精细调节中间总线和负载点输出电压以优化运营效率,还可补偿温度变化的影响。通过软件处理这类调整可以提供宝贵的总体效率提升,然而这仅仅是实现的改进中的一小部分。软件定义的电源架构还可以实现更进一步的显著效率提升,并且帮助改善其它性能参数,比如可靠性和正常工作时间,方法可以是减小低需求期间对电源的应力,并且实施预见性维护。此外,软件定义的电源架构可以通过激活或禁用电源来实现快速适应以满足需求,并且通过调节系统电压来获得最佳的效率。

现今的处理器使用自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling, AVS)技术,根据处理负载来自动调节电源需求。在轻负载情况下,可以将电源电压和运作频率减少到执行任务所需的最小值。最新1.3版本PMBus标准已经加入了支持自适应电压调节总线(Adaptive Voltage Scaling Bus, AVSBus)的要求。1.3版本PMBus标准是开放式标准协议,用于电源设备之间的通信。除了先前可用的PMBus指令之外,AVSBus支持也允许处理器自动调节到合适的POL输出电压,提供了另一个十分有效的工具。

在不断变化的情况下,自动调节电源架构来确保达到最佳运作效率,不仅可以在电源中最大限度地减小能源转换损耗,还可以最大限度地减少主动式冷却系统,比如托盘风扇和服务器房间空调系统冷却系统消耗的能源。除了节省能源之外,还可以减少冷却需求,以腾出更多的空间来安装服务器、交换机或线路卡。

同时,软件定义的电源架构优势可以受益于可靠性的提高,连续调节系统电压以保持最佳的效率,并且最大限度地减少发热,并减少施加在中间总线转换器(IBC) 和负载点(POL)转换器上的应力,最终,软件定义的电源架构还能最大限度地减少电源故障引起的宕机时间。

实际的软件定义电源

连接性提供了催化剂,把电源转换器从一个个孤岛改变为协作系统中互连的单元,这种协作系统能够响应位于软件定义的电源架构核心的中央控制器指令。开放式标准PMBus是理想的媒介,兼容PMBus的前端ac-dc电源、数字POL和IBC产品已经面市,它们为电源供应商开始为客户搭建软件定义的电源架构,起到了关键的推动作用。

图2:开放式标准PMBus是在软件定义电源架构中连接电压转换器的理想媒介
图2:开放式标准PMBus是在软件定义电源架构中连接电压转换器的理想媒介

软件定义电源正在增值供电应用领域快速普及,在这些系统中,数字电源的特性同时为设计公司和最终用户提供了经济优势。

不过,设计团队需要花费时间来创建模型和开发算法,才可以充分利用软件定义供电技术的“能力”。某些供应商可能首先在电路板级实施软件控制,后面再将机架和大功率转换级部分带入软件定义的架构中。另一些供应商可能在大功率级开始设计,然后将软件控制向前扩展至机架及电路板级。此外,早期的控制算法可能比较简单,只需根据少数几个参数来预测,但随着时间的推移,由于需要更详细地分析更大的数据集,所以算法也会变得越来越复杂。

随着业界对这些技术的熟悉程度加深,而且在后续的项目中可以快速、高效使用并已通过验证的设计不断增多,未来的设计人员将能够快速交付新的项目,并且集中精力开发额外的增值功能。其中可能包括预见性维护,帮助提升主要的性能标准,比如正常运作时间,同时通过减低设备更换率来降低大型设备的成本支出。

CUI已经在3kW PSE-3000等前端AC-DC电源以及Novum 系列 数字 IBC 和 非隔离型dc-dc数字POL转换器中实施PMBus连接性。这些产品能够通过业界标准协议与电压转换器通信,可以推动设计人员构建联网的数字控制电源架构。

IBC备有多种标准模块尺寸,并且支持动态总线电压(Dynamic Bus Voltage, DBV),后者允许随着负载情况的改变来调节IBC电压,从而优化转换效率。可以经由PMBus设置或通过安装在基于IBC集成式ARM?微控制器上的电源优化固件来设置电压。在IBC级的DBV就像在负载点的AVS一样,在最大化效率方面极有成效,方法是通过调节功率包络来适应负载条件,进而最大限度地减少浪费的能源。除了设置IBC电压之外,PMBus接口还允许通过中央控制电压余量、故障管理、精密延时爬升和启动/停止进行研究。

Novum POL转换器允许利用PMBus指令来进行与IBC模块相似的控制,并且可以实现软件控制的电压排序和跟踪。

为了说明通过自动适应电源架构可能实现的节能效果,考虑将平均效率达到95%的一个前端AC/DC电源,运作效率为93%的IBC,以及一个运作效率为 88%的负载点组合起来。在所有三个转换器上,22.2%的输入功率以热量形式散发。如果每级效率只增加1%,能源耗散可以削减至19.6%,这相当于12%的改善,是非常显著的效率提升。另外,冷却负载的减小还可节省能源。

未来

随着软件定义的电源架构在数据中心和电信公司日益普及,业界必需依赖来自不同供应商的电源模块之间的互操作性。虽然PMBus在一定程度上实现了模块间连接的标准化,但是,某些指令开放解释,当与不同制造商的转换器共用时可能产生不同的结果。为了克服这个问题,由CUI、爱立信电源(Ericsson Power Modules)和村田公司组成的AMP Group(现代电源架构)联手合作,在包括PMBus指令响应的诸多软件方面进行了标准化,并对外形尺寸和引脚配置等机械细节也进行了标准化。

图3:AMP集团成立旨在针对软件定义电源应用进行协作和开发多来源解决方案
图3:AMP集团成立旨在针对软件定义电源应用进行协作和开发多来源解决方案

结论

软件定义的电源架构不仅可以在设计阶段提供效率改进和节能,还降低了基础架构拥有者所需负担的运营成本。更进一步的优势包括提高可靠性以及实施预见性维护的机会,最终带来更长的正常运作时间。基于模拟的电源架构正在快速朝向软件定义的电源架构演进。随着电源设计团队日益熟悉这项技术,他们将能够以高成本效益的快速方式提供日益全面、高效和可靠的电源系统。


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