数据中心未来供电技术发展浅析(下)

三、现有12V的市电直供应用情况:

3.1Google的12V分布式UPS

Google的12V挂电池方案以分布式电源加分布式电池作为掉电备份。它的每个服务器带一个电源并配一个铅酸电池,市电正常时市电直接给设备供电并将电池充满,市电中断时电池放电直至柴发起来继续供电。它有两个特点:

1、电源产自中国,输出参数为13.65V &20.5A,由此可见该服务器的总输出功率不会超过250w。有趣的是,这个电池会接入开关电源,那么我们姑且把开关电源当成一个UPS。市面上最低档次的UPS每个需要几百块钱,而一个13.65V输出的UPS,不会比它更贵。

2、从公开的资料上看,所使用的电池是免维护铅酸蓄电池无疑,但其容量只有3.2ah,充其量只能够维持3、4分钟以内的服务器掉电保护时间。

该方案的核心技术是电池管理及切换控制,原理如下图所示,其供电效率达到了99.99%。

3.2 微软的12VBBU集中式市电直供方案

下图是微软的12V电池BBU集中式市电直供方案,微软在2010年推出该ITPAC的机柜服务器供电方案,从概念图上看机柜采用“集中电源供电,并在12V母排集中挂锂电池”的备份方案。它的上半区和下半区单独供电,单机柜以18.6KW功率给96台服务器供电。选用的4.5KW高效率服务器电源模块通过12V集中母排给服务器子机单元供电。市电正常时直接给设备供电,市电中断情况下,靠锂电池短时间放电过渡,直至柴发起来承担全部负载。

3.3 随着功率增加,12V将不再适合于数据中心

从前面的两个案例可以看出,不管是Google的12V带电池分布式小UPS供电方案,还是微软的12V锂电池BBU半集中式供电方案,都实现了接近市电直供的100%供电效率。但12V电池要么直接挂在IT设备内,要么就安装在服务器机柜内,以尽量减少低压供电的传输损耗。谷歌12V分布式供电尽管传输损耗较小,但电源和电池数量大、成本高、电源负载率低,因而效率会偏低;而微软的12V集中式供电的电源和电池数量少、成本稍低、负载率高、电源效率高。但鉴于12V供电传输损耗大,两种系统都存在一定不足。

随着业界IT机柜功率的不断增加,以及对能效要求的增长,12V低压传输损耗及成本会成为严重限制。举个简单的例子,对于12KW的机柜,如果采用12V集中单母线供电,那么供电电流可以高达1000安培,假设电源框和母线等的接触电阻为1毫欧,光接触电阻的损耗也会高达1KW,若算上铜排上的大电流传输损耗及电源插框的电源转换效率损耗,总损耗将高达3、4千瓦。采用48V的较高电压供电方案,则可以大大降低传输及接触电阻损耗,且48V电源的效率比12V电源的效率高2%以上。如下图的两者损耗分析对比显示,采用12V集中供电方案,机柜的总功率不宜超过6-8KW,如果超过10KW,传输及接触电阻损耗就会很大。而采用48V供电方案则没有这个问题,整机柜的总功率可以高达30KW以上,传输及接触损耗都可以控制在较小的范围内。

当然采用类似微软的做法,将总功率分散在两个甚至更多的电源插框中可以减少母线电流,但仍会带来更多电源插框占用宝贵机柜空间的问题,以及更多电源和电池导致更大投资成本等问题。

最后,12V低压市电直供方案,还极大地挑战对于电源及电池BBU的设计。毕竟5%的允许波动电压,以及至少几分钟的电池掉电备份时间等要求,对于电源及电池的设计和选择都极为苛求。总体而言,目前业界采用12V直挂电池市电直供方案的用户较少,且未来将有更多的用户更倾向于48V市电直供技术方案。

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。在未来高功率密度应用场合,12V已不再适宜。48V市电直供方案在通讯行业已然成熟。传统的48V供电方案是集中式电源系统,而未来发展的48V市电直供方案采用的是分布式电源和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机柜内部以减少供电传输损耗及线缆投资等。且它允许48V电池电压的波动范围较宽,电池备电时间也可大幅度提高。目前48V电源最高效率超过了97%,成本也比12V电源低很多,是个低成本高效率解决方案。而它带来的问题是部分IT设备需要定制。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,推动起来的难度比采用380V高压直流要小很多,目前业界已有较多互联网公司采用48V供电架构。

1、Facebook的48V半集中供电架构

从公开资料上看,Facebook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。市电正常时市电直供,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,48V电源只作为充电器使用,能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备份方案采用铅酸电池作为后备,考虑到铅酸电池的功率密度低、对温度敏感且存在漏液等风险,因此把电池放在了IT机柜之外但靠近IT机柜之处。每个市电+48V双输入服务器电源内部是将两个电源并联在一起,数量多,定制成本高,投资造价大。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供电方案。且随着电池技术的发展(如更高密度、放电能力更强及高温特性更好的锂电池价格的下降),电源及电池会直接从IT机柜外转移到IT机柜内部,显得更为分布,如open rack的V2.0版本。

如前的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,这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,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,将电池柜替换成整机柜即可完成升级)。

右上图的市电转48V再直接降压到12V的供电架构,如前述,具有极高供电效率和较低的传输损耗,技术成熟度最高且可选的供应商非常多,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。当然这个架构的需要将传统服务器主板上的12V输入供电修改为48V输入供电,技术难度很小。现在有很多刀片服务器、网络板卡等都是采用48V输入供电。在服务器白牌化、深度定制的今天,前述互联网巨头要定制48V输入供电的服务器就如探囊取物,十分便捷。

2、考虑到数据中心的整体需求,对交换机、网络设备、行间空调等设备供电归一化

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。正如今天我们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,分布式供电和散热组建一定会更为靠近IT负载,分期投资并弹性配置以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走。刚好目前主流的末端空调EC风机也是48V供电,分布式电池还可作为散热系统的持续供电保障。

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、照明等可以很容易地选择适当的48V电源以支持数据中心内的其他部分供电,最终实现48V供电的IT和基础支撑的归一化。

3、和铁锂电池、燃料电池、太阳能、风能等结合在一起的直流微网架构

我们前面提到数据中心供电技术很大程度上取决于电池技术的进步和发展,传统的铅酸电池由于功率密度以及安全性等原因不适合直接和IT设备放在一起,但锂电池则由于其高功率密度以及高温特性好等原因,未来很有可能会以BBU等形态和IT设备就近摆放,甚至会放在IT设备内部。当电网正常或者新能源供电满足负载需求的时候,直接给设备供电,电池作为储能单元充电备份。当供电出现波动或者中断情况下,电池放电承担起负载,锂电池的大电流放电能力非常适合此应用。

除了铁锂电池,未来燃料电池也可能给IT机柜供电。据微软公开的一份白皮书显示,微软正在研究沼气燃料电池以求在提升设备能效的同时降低总体运营成本。微软表示,把燃料电池直接放到机架层(rack level)的话,将大幅减轻设备对于UPS、发电机、开关装置等“耗电大户”的依赖。

数据中心行业关注数据中心的高能耗,以及目前主流的燃烧化石能源发电带来的环境污染问题。绿色环保组织也在持续曝光各公司的碳排放,目前业界一些互联网公司已经开始采用绿色的风能、太阳能等新能源用于数据中心的供电,而这些通常不稳定的绿色能源发出的交流电需要被整流并储能才可用于IT设备。因此对于大型的数据中心可能采用380V等高压直流来储能,但对于小型的分布式数据中心则会采用48V的直流微网架构。

五、结语

随着数据中心技术的发展,降低运营成本和节能减排的需求日益突出,市电直供方案已成为未来趋势,并将在大型的互联网数据中心等场合应用得越来越广泛。380V高压直流在短期内因行业生态未完善,无法大规模应用,但在未来绿色能源铺开后大有可为。目前阶段采用240V高压直流技术可以不用改造设备快速实现节能,IT设备电源微调即使可以接近市电主供高压直流后备100%的供电效率,但双电源成本较高,且路径效率不高,所以这只是未来几年的过渡技术。随着IT设备单机架功率不断上升以及对降低能效和成本的不懈追求,未来12V母线供电不管在能耗还是在技术难度等方面都不占优势,会逐步被48V的分布式供电架构取代。48V架构还归一了IT设备、网络、空调末端、弱电监控等设备,而锂电池、燃料电池以及风能、太阳能等绿色能源的进步以及发展会加快这一进程。带电池插框的48V市电直供技术会是未来数据中心IT供电架构的重要发展方向,希望数据中心技术规划以及IT设备甚至基础设施的各设备厂家共同努力营造此生态,建造高效节能、绿色环保、弹性灵活、低成本高可靠的数据中心供电之路。

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原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2014-07-31

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