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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

6、从总效率层面上比较

总效率层面,我们还是仍然比较从电网到CPU的整个供电路径。首先,市电到母排这一段,48V的通信电源现在效率较容易实现97%的高效率,而12V服务器电源多停留在94%左右;其次,母线损耗方面,由于48V架构下传输和接触阻抗损耗只是12V架构下的十六分之一,包括了母线段和服务器主板上的传输和接触阻抗损耗。这里还没考虑充放电过程中48V架构比12V架构少了DC/DC环节的损耗;最后,从母线到CPU等这一段,48V到1.3V的BMP砖块电源也比12V到1.3V的VRM电源效率更高损耗更少。采用48V架构比采用12V架构总效率提升5%以上,因此从市电到CPU的总效率层面48V架构有很大优势。

7、从交换机等其他机房设备上比较

我们知道数据中心内部除了服务器外,还有很多网络等其他设备,而这些数量相对较少的设备通常是较难全部定制的。而我们知道很多网络设备本身是具有48V电源这一选项的,即很多其他的机房IT设备本身是支持48V电源输入,只需配置上支持48V输入的电源模块即可。而如果采用12V电源插框+电池BBU供电架构,基本没有直接支持12V输入的IT设备。那么专门给这部分机房IT设备来定制12V电源是不太现实的,而在整个机房都采用市电直供的情况上,专门为了少量的网络设备去配置个大UPS也是非常复杂和不经济的。因此这一点上采用48V电源插框+电池BBU架构比12V架构具备非常大的开展优势。

4 如何来开展48V供电架构

通信产业经过上百年的发展,目前在通信行业48V供电架构已经非常标准和通用了,产业链和生态都非常成熟,以至于目前大多数的网络设备都可以直接支持48V直流供电。甚至在数据中心行业之前也曾尝试过采用48V供电架构,只是传统的做法是学UPS将48V电源和电池放到数据中心的电力室和电池室。这种做法带来的问题是传统的服务器设备往往缺乏直接支持48V输入的电源,以及48V供电在低压较长距离传输时带来的电源线缆投资、传输线路压降和传输线缆损耗等,最终传统的48V供电技术在数据中心行业没能开展起来。但是随着整机柜等技术的发展,以及追求低成本高效率、市电直供技术、大功率机柜以及锂电池等技术的发展,采用分布式的靠近机柜甚至机柜内置的48V供电架构将会是未来发展的重要方向。

前面介绍了48V供电架构比12V供电架构带来的诸多好处,下面我们继续探讨如何开展这方面的工作。毕竟传统的数据中心都是采用12V的供电架构,切换到48V供电架构一定会带来不少挑战,针对这些挑战我们继续从电源插框系统、电池BBU技术以及服务器主板上48V输入到CPU路径的供电替换做深入分析。

1、48V电源插框系统

由于48V供电技术在通信行业的普遍运行,目前通信电源的成本非常低廉,而且效率可以做到97%的超高效率。加上几十年48V电源运营经验以及成熟的电池管理技术等,这些通信行业的积累都可以直接复制到数据中心行业的48V供电架构上,总体而言48V供电技术是个低成本、高效率、好管理、易运维的成熟技术。比如采用业界大量应用的低成本单模块3KW的标准50A通信电源做48V电源插框。采用2+1配置给6KW内低功率机柜、采用5+1配置给15KW中大功率机柜,采用8+1配置给24KW超高功率机柜,可以实现三相平衡且只占用2U左右机柜内空间,还可通用电源插框按实际功率需求来配置模块数量。可采用节能休眠功能全负载范围达96%以上高效率,比传统UPS加12V服务器电源的总效率高出15%以上。

2、48V锂电池技术

锂电池技术经过电池储能、电动汽车、消费类电子等行业的发展,在过去几年技术和产业的成熟度增长很快,安全性也有较大提高,目前价格也有大幅度的降低。考虑其优异的放电能力、耐高温特性、维护简单、以及高能量密度和轻重量等优点。在很多行业都是研究热点,也非常契合未来数据中心的应用场景,完全可以用来替代传统的铅酸电池。考虑其较长的使用寿命,从ROI角度来考虑成本和铅酸电池也差不多。48V锂电池BBU技术在通信行业和电动汽车电池模块等场合有很多研究和应用,目前也已经较为成熟,有较多产业和技术、运营数据等的积累。如果在整机柜48V电源插框旁配置一个2U到3U高的48V电池BBU(+微信关注网络世界),给整机柜提供稳定的48V电源,并提供5到15分钟的电池备电,这可以带来数据中心供电架构的很大革新。不再需要传统的UPS投资、不再需要电力室电池室场地、不再有很多损耗浪费在UPS和低效率12V电源上,可以实现机柜级边成长边投资,可以实现48V电源模块按需配置,可以实现自动节能休眠,可以实现换硬盘一样热插拔更换电源模块和电池BBU等,最终实现IDC低成本高效率易维护可管理供电。

3、从BMP和VRM电源层面

我们继续再到服务器主板电源层面,传统服务器主板上是12V供电,还需要12Vstandby等辅助输出用于管理控制等,然后经过服务器主板上一堆VRM电源将12V输入转换成低压的5V、3.3V、1.3V等不同输出,分别给到硬盘、内存和CPU等不同单元供电,总体成本其实不低而且电源占用了主板较多的空间。

此外,这些VRM电源通常效率不高,能量浪费较为严重。我们知道传统的PUE衡量标准其实没考虑服务器主板上电源带来的能量损耗,如果这些VRM电源只有50%的效率,即便机房级PUE做到1.0,那么到最后环节还是有一半的能源被白白浪费掉,因此传统12V架构的VRM电源不够优化且有较大提升的空间。如果现有服务器主板能改采用创新的48V输入供电架构,那么真正需要做的只是将这些VRM电源模块替换成业界非常通用和成熟的48V输入BMP板上电源模块。直接将48V输入降压成5V、3.3V和1.3V等,而且这些BMP板上模块通常比传统VRM电源效率更高,大规模应用价格可能还有优势,对现有服务器主板也没有太多影响。因为这些BMP板上电源模块可以以1/4 、1/8砖模块的方式,采用贴片或者焊接的工艺安装到主板上,无需太多电源调试和主板layout更改,应用起来非常简单,而且可复制通用性强。

通过前面几个部分的比较和分析,采用分布式48V电源插框和电池BBU的架构,从技术成熟度和产业链等层面分析,开展难度并不大,但带来的收益却是巨大的。目前业界google、facebook等公司已经或者正在做此方面应用研究和使用,我们认为将会是国内外数据中心行业供电架构的下一个重要发展方向。

5 可能的另外一个技术路线

我们前面提到UPS技术的发展,很大程度取决于电池技术的水平,由此衍生出采用飞轮储能UPS、传统铅酸电池UPS、分布式锂电池UPS(大量采用锂电池的手机或者笔记本电脑就是一些很好的应用案例)等不同的技术路线。特别是随着未来电池科技的不断发展,肯定会有新的电池技术来革新替代现有UPS。

但就今天而言,消费类电子行业在大量采用的低成本锂电池有可能会给传统UPS带来技术革新,或者至少加速传统UPS改进的步伐,如前面介绍的手机电池和笔记本电脑电池就是一些很好的例子。我们知道即便离开了电网,手机或者笔记本电脑都可以持续的工作,直到下一次充电。类似数据中心的UPS在掉电情况下能持续给服务器供电,直到柴发启动给数据中心持续供电。因此按照这个思路,如果我们也给IT设备像手机或者笔记本电脑一样安装上锂电池,短时间停电仍可以像手机一样继续通话上网,像笔记本电脑一样继续可以工作办公,长时间停电则靠柴油发电机来保障持续供电,可以保障业务的持续运行,那么我们为什么还需要传统的UPS呢?

在服务器内部安装电池其实也不是啥新想法,谷歌早在近10年前就这么用过,只不过那个时候锂电池技术还没有今天这么成熟和低成本。谷歌在那个时候采用了传统的小铅酸电池模块,放置在服务器尾部做掉电保护,实现了99.9%的数据中心侧供电效率。但铅酸电池带来的体积较大、温度敏感、漏液风险、放电能力较差等一系列挑战也许只有谷歌自己能解决,甚至该技术今天谷歌可能已经不再采用了。因为现在有了较低成本、高能量密度、大电流放电能力、高温特性好、免维护等的锂电池技术,完全可以替代铅酸电池用于服务器内部的掉电保护。如果性能要求不是很高,甚至可以采用低成本的一次性的锂电池,和服务器的生命周期匹配,只需保障三四年持续供电即可。和服务器一起直接退役报废,需要多少买多少,采用市电直供不需要UPS、不需要维护,就像今天的手机和笔记本电脑的做法一样。还比如我们今天看到小米充电宝内的锂电池价格都已经低到惊人的地步(不一定适用数据中心场景),如果在服务器内嵌个几十上百块人名币的电池,对服务器的总体成本增加几乎可以忽略,但给数据中心带来的收益却是十分巨大的。

基于前面的思路,如果IT设备采用内嵌锂电池方案,那么电池该安装在哪里呢?或者如何做可以更为容易开展?自然而然,我们会想到电池可以安装在服务器主板外和安装在服务器主板上的两个方案。针对第一个方案,如果电池安装在服务器主板外,那么采用和服务器电源一样封装的电池模块会是最为简单的做法。因为通常服务器会配置有两个电源模块,如果将其中的一个电源模块更换为一样外形的电池模块,并且采用和原来电源模块同样的PIN脚,那么相当于电池模块和电源模块直接并联,类似电源冗余备份。市电正常情况下采用市电直供给服务器主板供电并对电池模块充电,市电异常情况下,备份的电池马上承担起全部的服务器主板负载,直至柴油发电机起来继续由电源模块给服务器主板供电并重新充满电池。这种方案下对现有服务器基本不用做任何改造,只需换个电池模块即可,开展起来最为简单,如图11的做法。

如果采用电池安装在服务器主板上的第二种方案,那么就需要在服务器内部做些调整了。电池可以安装在服务器内部主板外有空闲的地方,也可以直接安装在服务器主板上。具体可以根据实际情况灵活选择,但推荐采用可以热插拔更换的方式开展。如图12就是Intel前几年在IDF上展示的电池内置服务器样机,电池直接安装在服务器的12V输入,远离服务器发热区,并以电池模块方式来支持插拔安装,以及更换。

6 结束语

数据中心的供电技术很大程度上取决于电池技术的发展水平,本文在梳理了数据中心各种供电技术的基础上,认为采用分布式供电会成为未来发展的重要方向。而且未来采用48V供电架构又比12V供电架构有更多的优势,且不排除未来还有IT设备内嵌电池技术的发展方向。但IT设备内嵌电池方案因涉及数据中心内各种设备厂家、各种型号服务器和网络设备的定制和改造,开展难度会更大。且每个服务器还需配置服务器电源和内嵌电池包,总体成本和总效率都不占优。而48V电源插框加电池BBU的创新型架构,基于目前热门的整机柜技术,低成本、高效率、易维护、可管理,而且可以快速大量交付给业务,减少分布式服务器的电源数量并在提升总体能效等方面有很大优势,因此我们认为总体更优的48V供电加BBU架构将会是未来数据中心供电技术发展的重要方向。

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[责任编辑:周源 zhou_yuan@cnw.com.cn]

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