快速增长的数字宇宙中的服务器电源

作者：Vicor公司Maurizio Salato

到2020年末，数字宇宙 —— 一年内创建、复制和消耗的所有数字数据的度量单位——将达到40泽字节（ZB，40×1024字节），这相当于在2010年基础上增长了50倍[1]。据思科系统公司（Cisco Systems）预测，到2015年末，仅全年的互联网流量就将跨过1泽字节大关[2]。这些趋势代表了推动中型和大型服务器应用规模的数据环境变化的两个指标。

越来越多的访问，更加密集的内容，不断扩大的资源

消费者互联网流量代表了全球数据传输空前的增长。思科预测，2012年至2017年间消费者IP流量的年复合增长率（CAGR）为23％，主要由北美和亚太地区的用户贡献（见图1）。但是，全球所有地区新用户的增长速度均低于5％（见表1）。


图字：按地区划分的年度消费者IP流量[艾字节，EB]
北美 – 23% CAGR
亚太 - 26% CAGR
西欧 - 17% CAGR
中东欧 - 24% CAGR
南美 – 17% CAGR
中东及非洲 – 42% CAGR
年
图1：预计全球年度消费者IP流量年均复合增长率将增长23％，远高于将支持的新用户增长速度。
数据来源：思科系统公司。

表1：按照地区划分的全球互联网接入市场渗透。资料来源：联合国。

地区	2012年接入人口	年度变化率
北美	81.60%	3.20%
中国	42.30%	4.00%
东亚及太平洋	41.40%	3.60%
欧盟	75.30%	2.10%
欧洲及中亚	63.20%	2.90%
南美及加勒比海	43.50%	4.60%
中东及北非	35.30%	0.40%

有三个关键因素导致了远远超出新的互联网用户增长速度的快速流量增长。典型手机用户平均每天约144次查看他们的设备，产生了IP流量时间的46％[3]。由于公共热点提供的基本接入无处不在，便携式设备为用户提供了在办公和家庭范围之外全天候获取信息、通信和娱乐服务的方便。自2009年以来，一个正在加速的趋势是，便携式设备占整体流量的比例越来越大，以其目前的轨迹，到2015年中期将达到30％（见表2）。

表2：2009 - 2013年移动流量占总互联网流量的百分比。数据来源StatCounter。

日期	移动流量占全球流量百分比
2009年5月	0.90%
2010年5月	2.40%
2011年5月	6.00%
2012年5月	10.00%
2013年5月	15.00%

内容也已经从主要基于文本转向主要基于媒体。一张图片的大小值可能是1000个字，而一个图像可能很容易地占用五十万字个字以上的数据空间。视频是不断增长的数据组合的一部分。仅YouTube上传的视频就已经从2009年的每分钟20小时增加到2013年的每分钟100小时。

内容提供商已经通过各种任何东西点播（anything-on-demand，XOD）门户网站在线提供了完整的电视剧和全长影片。大部分生产设施都已转换到高清（HD）视频格式，这需要标清（SD）视频四到五倍的带宽。到2015年，视频剪辑和流媒体电视节目的流量预计将超过网络和互联网流量[4]。

现在，连网的设备比地球上的人还要多，设备的增长速度超过了人口的增长。思科预计，到2017年机器对机器（M2M）应用中将有60亿部设备贡献IP流量。

增长的服务器密度

为了支持这一史无前例的流量增长，预计全球平均固定宽带速度将从2012年的11 Mbps提高到2017年的39 Mbps。像那些支持谷歌光纤的基础设施项目可能会实现光纤到户（FTTP），提供高达1 Gbps的服务。

作为响应措施，服务器都采用了多核处理器，并增加了每个板的处理器数量。整体机架密度也已经提高，从1996年的每机架7台服务器达到2010年的每机架20台服务器。机架功率也以同种方式增加了，从2000年的千瓦/机架达到2007年的10 kW/机架，今天许多新安装的设备超过了20 kW/机架。

对于新设备和那些正在升级的服务器，这些趋势已经很难继续用使用单相AC-DC转换器的12 V电压在机架级分配电能。

12 V配电的挑战

基于12 V配电的典型服务器机架使用一个电力输送单元（PDU），包括EMI电源滤波器和一个有480 V三相输入和277 V单相输出的Y型配置变压器，它为机架的AC-DC转换器供电。要为一个10 kW机架供电，俗称银盒的AC/DC转换器必须为其IT负载组合提供超过800 A功率。原理图示例如图2所示。


图字：UPS + PDU（包括电池和变压器）
图2：有单相AC配电和12 V服务器主板的高密度计算机架示意图。

这些银盒独立工作，无需同步，导致其输入电流波形出现了更丰富的谐波含量。转换器的功率因数校正（PFC）电路可正确输入相对于输入电压波形的电流波形，但随着银盒制造商在努力提高功率转换效率，AC线路上的谐波含量也在不断增加[5]。

例如，那些符合80-Plus Gold认证的银盒可提供92％的峰值效率，产生其输入电流波形约5％的总谐波失真（THD）（相对于基波频率）。符合80-Plus Titanium认证的AC/DC转换器可提供96％的峰值效率，产生约12％的总谐波失真。

此外，银盒是异步操作，因此所产生的谐波电流与上游AC线相互作用，且通常在PDU或不间断电源（UPS）中的三相变压器内组合，从而产生更宽的中、低频谐波（几Hz到几kHz）。

最近的研究[5，6]表明，当一个线路变压器的电流波形的总谐波失真超过5％时，每增加2％的总谐波失真可产生额外1％的总功率损耗，通常发生在PDU（或UPS，或两者）中。对于一个为80-Plus Titanium AC-DC转换器供电的10 kW系统，正是由于电流总谐波失真的缘故，至少相当于PDU耗散了350 W。系统设计人员必须估计PDU的大小，以适应额外损耗，从而增加了机架的安装成本，并影响整个系统的可靠性。

最终，随着机架功率的持续增加，12 V配电开始出现更基本的问题。由于个别主板增加了内核、内存和I/O，细分（subdivide）电源的能力变得很有限，而实际和经济规模的母线和电源输入连接器的电流最大值会对整体机架密度产生负面的影响。在20 kW/机柜中，12 V电源架必须提供净1.7 kA，而机架供电要求并没有停滞不前。