從電網(wǎng)到芯片：優(yōu)化AI數(shù)據(jù)中心的能源效率

2025年07月31日 16:00來源：偉創(chuàng)力人氣：123

　　為了滿足日益增長的AI數(shù)據(jù)中心容量需求，必須克服在計算能力、電力供應(yīng)和冷卻系統(tǒng)擴(kuò)展方面的復(fù)雜挑戰(zhàn)。偉創(chuàng)力嵌入式和關(guān)鍵電源解決方案副總裁Mattias Jansson深入探討為保持領(lǐng)先所需的電力系統(tǒng)架構(gòu)。

　　新一代半導(dǎo)體技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施所釋放的強(qiáng)大算力正在推動人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)快速融入日常生活。然而，隨著高性能計算系統(tǒng)的加速部署，數(shù)據(jù)中心的能源消耗正承受前所未有的壓力。據(jù)國際能源署(IEA)預(yù)測(1)，到2026年，全球數(shù)據(jù)中心的年耗電量將超過1000太瓦時(TWh)，相當(dāng)于2023年加拿大、波蘭和阿根廷三國電力消耗總和。

　　應(yīng)對電力系統(tǒng)架構(gòu)的現(xiàn)實(shí)制約

　　數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商不僅需要接入更多電力來源，還必須具備高效分配電力的能力——從電網(wǎng)到設(shè)施、機(jī)架，最終傳輸至芯片。同時，他們也面臨著降低計算基礎(chǔ)設(shè)施資本支出的巨大壓力，包括電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和冷卻解決方案。在此背景下，削減能源成本和降低環(huán)境影響同樣至關(guān)重要。為了提升投資回報率并通過基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化獲得競爭優(yōu)勢，最大化電力轉(zhuǎn)換效率、最小化運(yùn)營成本已成為運(yùn)營商的首要任務(wù)。

　　然而，電力系統(tǒng)架構(gòu)本身也面臨一些重大限制。例如，芯片層面趨向于更低電壓、更高電流的趨勢，意味著最終的電力轉(zhuǎn)換階段必須盡可能靠近負(fù)載，以最小化電壓損耗和信號干擾，并應(yīng)對現(xiàn)代處理器快速變化的負(fù)載需求。此外，將電力電子設(shè)備靠近芯片布置，也帶來了熱管理方面的挑戰(zhàn)，尤其是在空間受限的環(huán)境中。

　　上游的電力轉(zhuǎn)換(即從電壓調(diào)節(jié)模塊VRM開始)通常通過分布式電源架構(gòu)分階段實(shí)現(xiàn)。

　　這一過程包括與市電連接的AC/DC轉(zhuǎn)換器、備用電源系統(tǒng)，以及在最佳電壓水平下運(yùn)行的中間母線，以便控制電流在可管理范圍內(nèi)。這些分階段的設(shè)計有助于有效降低導(dǎo)體的尺寸與成本，減少系統(tǒng)能耗與電壓降。

　　在設(shè)計最優(yōu)的電力架構(gòu)還涉及將電源轉(zhuǎn)換器集成至數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)中，并就在何處引入電氣隔離做出決策，以降低安全風(fēng)險和防止地環(huán)路問題。歸根結(jié)底，由功率密度和能效決定的物理空間限制和散熱需求，在電力設(shè)備的部署位置和方式上起著決定性的作用。

　　尋找數(shù)據(jù)中心電力分配的最優(yōu)解決方案

　　數(shù)據(jù)中心的電力分配涵蓋了從傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)變壓器和開關(guān)設(shè)備，到機(jī)械母線系統(tǒng)，再到以兆赫茲(MHz)頻率運(yùn)行的高頻直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器等廣泛技術(shù)。由于可選方案眾多，確定最有效的配置往往難以評估，在某些情況下甚至容易受到主觀判斷的影響。

　　例如，系統(tǒng)架構(gòu)師可能更傾向于采用800伏直流電進(jìn)行配電而非傳統(tǒng)的48伏直流電，這樣可以降低電流水平，最大限度減少功率損耗和電壓降，并且能夠使用更小、更具成本效益的母線和電纜。然而，更高的電壓也帶來了更嚴(yán)格的合規(guī)要求，包括額外的絕緣、電氣隔離措施以及認(rèn)證流程。同時，這也對人員安全提出了更高要求，僅允許具備相應(yīng)資質(zhì)的工程師和技術(shù)人員操作此類系統(tǒng)。相比之下，48伏直流母線仍是廣受歡迎的選項，其優(yōu)勢在于行業(yè)應(yīng)用廣泛，零部件選擇豐富、貨源充足，且因規(guī)模效應(yīng)而成本更低。同時，48伏直流電本身低于安全特低電壓(SELV)限制，具備天然的安全性。

　　另外一個關(guān)鍵的設(shè)計考量是中間母線電壓應(yīng)采取穩(wěn)壓還是非穩(wěn)壓方案。非穩(wěn)壓、隔離式設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率和更好的功率密度，但這類方案通常需要精選下游轉(zhuǎn)換器以確保兼容性。部分系統(tǒng)則采用混合式穩(wěn)壓策略，即允許母線電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動，僅當(dāng)電壓超出這些閾值時才啟動主動控制。這種方式在保持高效率的同時，也為下游電源轉(zhuǎn)換提供了更大的靈活性。

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心端到端電力轉(zhuǎn)換優(yōu)化

　　要確定從電網(wǎng)到芯片的電子轉(zhuǎn)換與分配的最優(yōu)方案，需要采取整體性的設(shè)計思路。目前傳統(tǒng)的“電源樹” 架構(gòu)已經(jīng)難以滿足新一代系統(tǒng)的需求，因?yàn)楦骷夒娔苻D(zhuǎn)換之間的邊界正在發(fā)生變化。例如，直流/直流轉(zhuǎn)換器如今通過垂直供電(VPD)技術(shù)在電氣與熱管理層面與處理器緊密集成，并針對不同處理器的引腳布局進(jìn)行定制化設(shè)計。

　　當(dāng)電能轉(zhuǎn)換鏈條中的組件來自多個供應(yīng)商時，系統(tǒng)不兼容的風(fēng)險會顯著增加。各供應(yīng)商往往采用各自的專有技術(shù)，彼此之間難以完全兼容，使得構(gòu)建統(tǒng)一協(xié)調(diào)的系統(tǒng)更加復(fù)雜。這也凸顯了與經(jīng)驗(yàn)豐富、值得信賴的電力轉(zhuǎn)換合作伙伴合作的重要性——其能夠提供端到端的集成解決方案，在確保各組件協(xié)同適配的同時，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化、成本有效控制，并提供長期穩(wěn)定的技術(shù)支持與專業(yè)指導(dǎo)。

　　偉創(chuàng)力提供種類豐富的數(shù)據(jù)中心電源與冷卻產(chǎn)品，涵蓋直流/直流穩(wěn)壓器、總線轉(zhuǎn)換器、中低壓交/直流轉(zhuǎn)換方案、配電、關(guān)鍵備用電源系統(tǒng)，以及機(jī)架級與芯片級冷卻解決方案。此外，偉創(chuàng)力還提供定制化設(shè)計服務(wù)，包括垂直供電結(jié)構(gòu)配置以及用于部署前系統(tǒng)建模的仿真工具。同時，偉創(chuàng)力也配套提供全面的監(jiān)測與技術(shù)支持，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行并保持可靠性能。

　　隨著數(shù)據(jù)中心容量需求持續(xù)快速增長，運(yùn)營方亟需不僅能夠提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，并且能夠交付完整、可擴(kuò)展解決方案的可靠合作伙伴。偉創(chuàng)力憑借在設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、制造、系統(tǒng)集成及供應(yīng)鏈管理等方面的深厚專業(yè)積淀，助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)高效擴(kuò)容，滿足不斷演進(jìn)的性能需求，并確保所需容量按時上線。無論是既有設(shè)施升級，還是新建項目部署，快速、可靠地在全球范圍內(nèi)推進(jìn)新一代供電與散熱基礎(chǔ)設(shè)施，已成為提升數(shù)據(jù)中心韌性的關(guān)鍵因素。

　　垂直供電：提升效率與性能

　　垂直供電(VPD)通過提升供電效率與系統(tǒng)可靠性、顯著降低能耗，在數(shù)據(jù)中心電源管理中發(fā)揮重要作用。相比之下，傳統(tǒng)的橫向供電方式容易在印制電路板(PCB)上造成較大的功耗，不僅增加了能耗成本，也加劇了散熱難度。VPD通過將電壓調(diào)節(jié)器直接置于高性能處理器下方，顯著縮短了供電路徑。這種更近的布局可降低電源層阻抗、提升電流密度，并大幅減少功率損耗。進(jìn)一步地，VPD設(shè)計通過直接連接處理器或ASIC的底部供電引腳，在效率和性能方面實(shí)現(xiàn)了更高程度的優(yōu)化。

　　提升芯片級散熱效率

　　雖然加速計算平臺為數(shù)據(jù)中心帶來了更高的功耗需求，但由此產(chǎn)生的熱量也對冷卻解決方案提出了巨大挑戰(zhàn)。直冷技術(shù)通過將處理器產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)至液冷冷板，有效提升了散熱效率。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式相比，這種方法在熱傳輸和熱移除方面表現(xiàn)更優(yōu)，同時也使主板設(shè)計更加靈活，無需再將處理器和散熱器靠近風(fēng)道出口布置。偉創(chuàng)力旗下公司JetCool進(jìn)一步提升了這一方案，采用微射流技術(shù)，可精準(zhǔn)冷卻芯片上的熱點(diǎn)區(qū)域，從而在芯片級別實(shí)現(xiàn)更高效的散熱性能。

　　智能管理，實(shí)現(xiàn)不間斷供電

　　對于數(shù)據(jù)中心而言，穩(wěn)定、可擴(kuò)展的電力供應(yīng)至關(guān)重要，既是避免宕機(jī)與數(shù)據(jù)丟失的保障，也是系統(tǒng)高效與安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。電力故障、負(fù)載不均或供電效率低下，都可能引發(fā)例如服務(wù)中斷、過熱甚至設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。

　　偉創(chuàng)力旗下公司Anord Mardix推出的預(yù)制模塊化電源系統(tǒng)，能夠省去數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容計劃中耗時且成本高昂的改造工作。這些模塊將變壓器、開關(guān)設(shè)備及不間斷電源(UPS)等關(guān)鍵部件集成于一個結(jié)構(gòu)緊湊且經(jīng)過預(yù)先測試的整體模塊中，可快速部署，最大限度減少運(yùn)行中斷。

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