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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、電力供應和冷卻系統(tǒng)擴展方面的復雜挑戰(zhàn)。偉創(chuàng)力嵌入式和關鍵電源解決方案副總裁Mattias Jansson深入探討為保持領先所需的電力系統(tǒng)架構。

新一代半導體技術與現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心基礎設施所釋放的強大算力正在推動人工智能和機器學習等技術快速融入日常生活。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），相當于2023年加拿大、波蘭和阿根廷三國電力消耗總和。

應對電力系統(tǒng)架構的現(xiàn)實制約

數(shù)據(jù)中心運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)到設施、機架，最終傳輸至芯片。同時，他們也面臨著降低計算基礎設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)境影響同樣至關重要。為了提升投資回報率并通過基礎設施優(yōu)化獲得競爭優(yōu)勢，最大化電力轉(zhuǎn)換效率、最小化運營成本已成為運營商的首要任務。

然而，電力系統(tǒng)架構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載，以最小化電壓損耗和信號干擾，并應對現(xiàn)代處理器快速變化的負載需求。此外，將電力電子設備靠近芯片布置，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分階段實現(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)。這些分階段的設計有助于有效降低導體的尺寸與成本，減少系統(tǒng)能耗與電壓降。

在設計最優(yōu)的電力架構還涉及將電源轉(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，以降低安全風險和防止地環(huán)路問題。歸根結底，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)變壓器和開關設備，到機械母線系統(tǒng)，再到以兆赫茲（MHz）頻率運行的高頻直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器等廣泛技術。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)架構師可能更傾向于采用800伏直流電進行配電而非傳統(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格的合規(guī)要求，包括額外的絕緣、電氣隔離措施以及認證流程。同時，這也對人員安全提出了更高要求，僅允許具備相應資質(zhì)的工程師和技術人員操作此類系統(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)應用廣泛，零部件選擇豐富、貨源充足，且因規(guī)模效應而成本更低。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。

另外一個關鍵的設計考量是中間母線電壓應采取穩(wěn)壓還是非穩(wěn)壓方案。非穩(wěn)壓、隔離式設計能夠?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設范圍內(nèi)波動，僅當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計思路。目前傳統(tǒng)的“電源樹” 架構已經(jīng)難以滿足新一代系統(tǒng)的需求，因為各級電能轉(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行定制化設計。

當電能轉(zhuǎn)換鏈條中的組件來自多個供應商時，系統(tǒng)不兼容的風險會顯著增加。各供應商往往采用各自的專有技術，彼此之間難以完全兼容，使得構建統(tǒng)一協(xié)調(diào)的系統(tǒng)更加復雜。這也凸顯了與經(jīng)驗豐富、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)定的技術支持與專業(yè)指導。

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、關鍵備用電源系統(tǒng)，以及機架級與芯片級冷卻解決方案。此外，偉創(chuàng)力還提供定制化設計服務，包括垂直供電結構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)測與技術支持，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行并保持可靠性能。

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、可擴展解決方案的可靠合作伙伴。偉創(chuàng)力憑借在設計、產(chǎn)品開發(fā)、制造、系統(tǒng)集成及供應鏈管理等方面的深厚專業(yè)積淀，助力數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效擴容，滿足不斷演進的性能需求，并確保所需容量按時上線。無論是既有設施升級，還是新建項目部署，快速、可靠地在全球范圍內(nèi)推進新一代供電與散熱基礎設施，已成為提升數(shù)據(jù)中心韌性的關鍵因素。

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。進一步地，VPD設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)。直冷技術通過將處理器產(chǎn)生的熱量直接傳導至液冷冷板，有效提升了散熱效率。與傳統(tǒng)的風冷方式相比，這種方法在熱傳輸和熱移除方面表現(xiàn)更優(yōu)，同時也使主板設計更加靈活，無需再將處理器和散熱器靠近風道出口布置。偉創(chuàng)力旗下公司JetCool進一步提升了這一方案，采用微射流技術，可精準冷卻芯片上的熱點區(qū)域，從而在芯片級別實現(xiàn)更高效的散熱性能。

智能管理，實現(xiàn)不間斷供電

對于數(shù)據(jù)中心而言，穩(wěn)定、可擴展的電力供應至關重要，既是避免宕機與數(shù)據(jù)丟失的保障，也是系統(tǒng)高效與安全運行的基礎。電力故障、負載不均或供電效率低下，都可能引發(fā)例如服務中斷、過熱甚至設備損壞等嚴重后果。

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