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为什么说48V市电直供技术是数据中心未来发展方向

2014年12月25日 14:00:07 | 作者:腾讯IDC平台部数据中心架构师 李典林 | 来源:cnw.com.cn

摘要:数据中心供电有多种架构,本文梳理了业界目前在用的各种典型供电架构,推导出48V+BBU供电架构效率最高、收益最大,是未来发展的重要方向。

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数据中心
市电直供
供电架构
电池BBU

【网络世界独家约稿】

1 引言

随着数据中心的大规模建设,用户更为关注能源成本和效率,数据中心供电技术未来的发展方向一定是市电直供技术,在省去传统UPS设备投资和场地占用、降低前期成本的同时,还通过减少转换级数、提高供电效率实现后期运营成本的减少。而且这里所说的提高效率,不仅仅是指电网侧到IT设备输入侧的供电路径上高效率,而是一次能源侧到CPU等的整个能源路径上的高效率和绿色环保。虽然传统概念上的PUE值有可能会升高,但单位计算能耗是降低的。如图1所示,未来数据中心供电技术的总体发展趋势是高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展,由机房级集中式铅酸电池向IT机柜甚至服务器内嵌的分布式小(锂)电池方向发展,从有污染的化石能源向环保的绿色能源方向发展。

 

数据中心供电不间断技术的核心在于不间断电源及其电池技术,因此不同的电池连接位置也决定了不同的供电架构。目前,业界主流的备用电池电压从高到低分别有UPS的400多伏,到直流电源的380V、240 V及48V,甚至电池内嵌到IT设备内的12V等。甚至还有采用飞轮的中压UPS或者5V 等更低电压的小UPS等,由于应用较少,这里不再一一列举。图2是目前业界在数据中心供电方面的主要技术方案,首先从集中式400多伏铅酸电池的传统UPS,其次到标准服务器不用定制、240V电池直挂输出母线的240V高压直流技术,接着还有服务器采用定制48V或者380V输入电源的48V直流或者380V高压直流电池直挂技术,最后再到Google等的12V电池直挂服务器主板输入方案。电池越靠近末端服务器主板或者CPU,供电系统越为分散,相应的IT系统也更为分布式;电池越靠近末端,供电系统的定制化程度越高,普通用户规模开展的难度也越大;电池越靠近末端,对IT电源及电池的控制管理水平要求也越高。最后,电池越靠近末端,从电网到CPU供电路径上的转换级数也相应减少,带来更高的转换效率,但可能在低压侧传输损耗又会增加。因此,对比集中式和分布式、高压还是低压,交流还是直流,选择不同的供电架构,会很大程度上影响供电系统可靠性、供电效率、造价成本等,还有技术、生态的成熟性以及应用灵活性等等。

此外,随着电池技术的发展,以及风能、太阳能、燃料电池等绿色能源在数据中心内的引入,给数据中心带来更多的机遇和挑战。从某种意义上说,数据中心不间断供电技术最终会取决于电池技术的发展,电池的革新也会带来数据中心供电架构的变化,比如从传统的低密度铅酸电池到高能量密度锂电池技术的发展,就很可能把备份电池从电池室改放置到IT机柜内,甚至放置到IT设备内部。同样的电池技术的发展,使得风能、太阳能等波动性绿色能源实现储能的可能,也将改变传统数据中心来自单一电网供电模式等。这些更进一步的讨论这里不再展开,本文暂以业界用到的主流技术为主,通过梳理粗浅分析,抛砖引玉,以便大家可以更为深入的探讨未来数据中心供电技术的发展方向。

2 数据中心颗粒度层次分级

在正式开始本文之前,我们还可以从数据中心自上而下的不同层级来考虑UPS的应用场景,典型的数据中心可以从整个园区、单栋建筑、机房模块、微模块、机柜、服务器等不同颗粒度来划分。由于整个园区、单栋建筑的规模都太大,目前基本没有UPS能覆盖到整个层级,所以这里不再讨论。到机房模块层面典型的做法是采用传统的集中式分体柜级UPS,微模块层面典型的做法是采用半分布式一体柜级UPS,整机柜层面典型的做法是采用分布式DPS电源插框级UPS,服务器层面典型的做法是采用部件级内嵌电池UPS做法,分别如图3(a)到(d)的四种做法。同样的,这四种应用架构下,电池的摆放位置差异也很大,从机房模块层面的集中电力电池室,到微模块层面的半分布电池机柜,再到整机柜层面的分布式电池BBU,最后到服务器层面的部件级锂电池包。不同的层级下不管UPS还是电池的建设规模都是从大到小、从集中安装到分散摆放,从一次性投资到分期投入,故障影响面也是从整个机房模块到单台服务器等。

图3(a)传统UPS模式

 

从前面的分析上看,采用分布式的UPS可以带来一些好处,比如可以分期建设边成长边投资,可以减少前期资金一次性投入;而且往往很多数据中心负载率多不高,或者服务器装满需要较长的时间,这样集中式UPS长期低负载下的低效率问题在采用分布式小UPS情况下可以有效降低;此外,分期投资建设的分布式小UPS可以灵活匹配未来技术升级或者业务变化,或者根据不同可靠性等级按需配置,带来更多灵活性等。因此,分布式比集中式会带来一些好处,但是否是越分布越好呢?

答案显然是否定的,我们再从开展难度等的生态或者产业链层面去分析,首先是图3(a)的传统UPS架构,经过几十年的发展不管是技术成熟度还是上下游产业链等都非常成熟,开展难度最低;其次是图3(b)的微模块层面UPS,可以是一体化模块化UPS或者是一体化240V高压直流,甚至是48V通信电源系统,由于对现有的服务器等IT设备无需定制和改造,开展难度也相对简单;接着是图3(c)的整机柜层面电源插框+电池BBU方案,由于有国外的OCP或者谷歌、微软整机柜或者国内的天蝎整机柜等技术积累和产业链支持,以及互联网用户大规模应用需求,目前正在进行或者准备开展,但存在一定难度;最后是IT设备层面主板直挂电池包方案,由于电池内嵌服务器等,IT设备需要完全定制才行。此外,IT设备电池包直挂方案技术成熟度尚且不够,且涉及上下游很多厂家及不同型号等产品,因此开展难度最大。

3 为什么说48V供电架构是下一步重要方向

前面我们介绍了数据中心UPS发展趋势及其应用场景,我们认为目前第一阶段的大机房层面传统UPS架构和第二阶段的微模块层面半分布式UPS发展都已经比较清晰了,但是这些架构在服务器前面都或多或少存在UPS这一级(不管是交流UPS、240V/380V高压直流,还是市电+UPS等),效率以及成本都不够优。因此市电直供技术,或者说采用市电直接给服务器等IT设备供电,并做好市电掉电下的保护应该是数据中心供电技术下一步的发展方向。加上整机柜技术的快速发展,我们认为将这两者将会有机结合在一起,即前面所论述的采用市电供电电源插框,加上插框内置掉电保护的电池BBU方案会是下一步发展的方向。

那么现在问题来了,整机柜采用市电直供技术,其直流母排电压到底该采用现成的传统12V母排架构,还是可以规划一下48V的创新架构?我们将从下面的七八个方面分别做两种技术路线的比较。

1、从未来机柜功率密度增长情况上比较

随着数据中心技术发展,以及IT设备计算能力的不断提升,数据中心单机柜的功率密度从过去的几个千瓦,到现在的近十个千瓦,以及已经出现的十几千瓦机柜,因此未来的单机柜功率密度很有可能会达到二三十个千瓦以上。因此这种情况下整机柜如果继续采用12V母排,电流会高达两三千安培以上,不管是铜排的压降、损耗、结构、散热、价格等等,都会是很大的挑战;反之,如果采用48V的母线架构,根据非常成熟的48V通信电源市场经验,前面12V的这些挑战都不是问题,而且功率扩展能力有望可以升级到30-40KW的单机柜密度,可以实现较远期的规划,因此48V架构从单机柜功率密度增加方面有很大潜力。

2、从母线损耗上比较

如前面估算,如果12V架构下母线电流达到两三千安培,那么即便是小到1毫欧的接触电阻或者线路阻抗下母排损耗都可以达到4、5个千瓦以上,即便采用多个电源插框或者多根母线来分摊电流减少损耗,那么不管是总体成本、空间占用、铜消耗、以及能耗等方面都非常大;反之,如果采用48V的母线架构,电流减少为原来的四分之一,则母线损耗降低为原来的十六分之一,可以大大降低母线损耗和发热风险。

3、从电压容许范围上比较

我们知道12V供电服务器主板通常的输入电压范围是5%的正负差,如果采用12V母线+12V电池BBU的架构,基本很难达到这个电压容许范围。特别是在可能高达两三千安培的大电流下,1毫欧的阻抗下压降就高达两三伏了,铜排压降都远超这个5%约0.6V的电压范围。如果采用多个电源插框多根母线分摊电流控制压降,那么除了前面提到的成本、空间等问题外,还需要有额外的DC/DC稳压电路来保障电池BBU放电带来的电压降低问题。这个DC/DC稳压电路的总成本将会很高,也会导致系统总体不经济。而48V母线架构下,通常主板允许的输入电压范围是很宽的36V-58V,母线压降不再是个问题,且电池BBU可以直接挂接在48V母线上,也无需DC/DC稳压电路,所以采用48V母线架构电压容许范围变得非常容易。

4、从电池备电时间层面上比较

如前面所述,由于12V母线架构下只有5%的电压容许范围,那么电池挂接母线的放电截至电压范围会很窄。即便增加了DC/DC稳压电路,容许的电池放电时间也会较小,因为会很快触发电源欠压保护电路。还有12V低压大电流下的散热风险,所以采用12V母线架构下很难有较长的电池备电时间。而如果采用48V母线架构,由于有很宽的电压容许范围,且电池可以直接挂接在48V输出母线上,那么电池备电的时间可以较长,有效保障了系统的安全性和可靠性,这些特点在通信行业已有充分案例和验证。

5、从成本上比较

成本方面主要考虑四个部分的差异,我们从整个电源系统上进行比较。首先是电源插框,由于48V电源在通信行业大规模应用,成本低廉,单瓦成本比12V的服务器电源价格要低不少。况且这里还没算12V架构下需要多个电源插框,而48V架构只需单个插框带来的总成本差异;其次是电池BBU,如前面所述,12V BBU架构下电池内部往往需要稳压DC/DC电源,而48V架构则无需配置,这部分电池BBU部分采用48V架构也很有优势;接着是母线排等输配电方面,由于48V架构下大大降低了铜排的规模和数量,而且只需单个插框,这部分48V架构也有很大成本优势;最后是主板上的VRM电源的比较,采用48V架构下,服务器主板上采用大量应用的BMP板上砖块电源给CPU等供电,成本不高。而12V架构下同样需要采用多个VRM电源给CPU供电,这个层面上差异不大。因此,从前面的比较上看48V架构有很大优势。

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[责任编辑:周源 zhou_yuan@cnw.com.cn]

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