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数据中心未来供电技术发展浅析(4)

[日期:2014-06-10] 来源:腾讯  作者:李典林 [字体: ]

  四、面向未来的48V市电直供架构

  如上图,从电网侧到CPU的整个供电路径上,采用传统12V供电方式带来的供电损耗会比采用48V供电方式的损耗高出很多,特别在未来高功率密度应用场合12V已经不再适宜采用了。48V市电直供方案在通讯行业已经非常成熟,只是传统的48V供电方案是集中式电源系统,而未来发展的48V市电直供方案是分布式电源和IT融合的方案,电源和电池就近放在IT机柜边上,甚至放到IT机柜内部,大大减少供电传输损耗及线缆投资等。且允许48V电池电压有个很宽的波动范围,电池备电时间也可以得到较大提高。目前48V电源最高效率也高达97%以上,成本也比12V电源要低较多,是个低成本高效率解决方案,带来的问题是部分IT设备需要定制。但目前在数据中心行业,很多IT设备及基础设施都已经实现了48V供电架构,推动起来难度比采用380V高压直流要小很多,目前业界已经有较多互联网等公司已采用48V供电架构了。

  1、facebook的48V半集中供电及下一代架构

  从Facebook的公开资料上看采用了分布式服务器电源加分布式48V电池的方案,每台服务器配一个277Vac和48Vdc双输入、单输出为12.5V的定制电源。其中277Vac接口直接接到市电交流PDU上,而48Vdc接口连接到48V直流PDU。市电正常的时候市电直供,48V电池作为后备,当市电异常或者中断情况下,48V电池瞬间放电短时备份,直至柴发起来承担负载。

  在实际的物理布局上,由于分布式48V备份电源不能长距离传输供电,因此电池就近摆放在IT机柜边上,每个电池柜覆盖6个IT机柜。如前面所述,市电正常情况下市电承担了全部负载,

  所以48V电源只作为充电器使用,保证对备份电池的充电即可,因此48V电源只是个小充电插框,直接放置在电池柜顶部即可,如下图所示。

  Facebook的这个市电直供48V备份方案由于采用的是铅酸电池作为后备,考虑铅酸电池的功率密度低、对温度敏感且存在漏夜等风险,因此把电池放在了IT机柜之外但靠近IT机柜安装。其每个市电+48V双输入服务器电源内部实际还是两个电源并联在一起,数量多,定制成本高等,投资造价还是很大,所以在后续的整机柜版本中facebook改用了电源更少的集中电源插框方式供电。且随着电池技术的发展,比如更高密度、放电能力及高温特性更好的锂电池等价格下来,那么电源及电池会更为分布,直接从IT机柜外转移到IT机柜内部,如open rack的V2.0版本。

  如前面的12V供电分析,facebook的这个V2版本虽然电源适当集中,且电池和电源就近匹配安装,但单机柜内仍采用了三个电源插框,以及多根供电母线排等,并没有解决电源数量多,12V低压传输损耗大等问题。而48V供电架构,可以只用一个电源插框及一根母线排搞定,且48V锂电池包较为成熟且容易设计,因此这个V2应该只是个过渡版本,未来一定会向48V供电架构切换(数据中心基础设施可以基本保留不变,只是将电池柜替换成整机柜即可完成升级)。

  上图市电转48V再直接降压到1.2V的供电架构,如前述,具有极高供电效率,且很低传输损耗,技术成熟度最高,且可选的供应商非常多,因此已经是未来数据中心的供电架构方向。据不可靠资料,目前业界的google、amazon和思科等公司已经在采用此方案。当然这个架构的不足之处在于需要修改传统服务器主板上的12V输入供电,改用48V输入供电,但技术难度很小,比如很多刀片服务器、网络板卡等都是48V输入供电。且对于服务器白牌化、深度定制的今天,对于前述互联网巨头而言,定制48V输入供电的服务器已经完全不是问题了。

  2、考虑数据中心的整体需求,包括交换机、网络设备、行间空调等供电的归一化

  随着数据中心技术的发展,未来的IT和基础设施会更为融合在一起,就像今天我们今天看到的机柜级服务器集成了电源和风扇,服务器会板卡化,支撑的电源和散热组建也会适当集中。再往上一级,比如微模块级,一定是分布式供电和散热组建更为靠近IT负载,分期投资并弹性配置,实现就近供电和高效散热,这种情况下散热系统的供电跟着分布式电源一起走。刚好目前主流的末端空调EC风机等很大部分也是48V供电,分布式电池还可对散热系统做持续供电保障。

  数据中心内部的交换机、防火墙等网络设备基本都是可以选配可支持48V供电的电源,比如facebook数据中心的网络设备基本也是采用48V直供供电,因此网络设备和其他弱电、监控、照明等可以很容易选择适当的48V电源以支持数据中心内的其他部分供电,最终实现IT和基础支撑48V供电的归一化。





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