數(shù)據(jù)中心的“退熱貼”，誰(shuí)有？

進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的我們，或多或少都患上了電源焦慮癥，不由自主地會(huì)去操心“智能”的手機(jī)、手環(huán)、門鎖等設(shè)備，是否還有足夠的電可用。

這些在物聯(lián)網(wǎng)邊緣端的設(shè)備通常體積小，只能電池供電，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確實(shí)是個(gè)卡脖子的問(wèn)題。不過(guò)，對(duì)于普通的用戶來(lái)說(shuō)，很多人并沒(méi)有意識(shí)到，在物聯(lián)網(wǎng)的另一端，也就是數(shù)據(jù)中心所在的云端，所面臨的電源問(wèn)題也同樣很值得“焦慮”，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心太費(fèi)電了！

數(shù)據(jù)中心：能耗大戶

作為數(shù)字時(shí)代的“云腦”，數(shù)據(jù)中心擔(dān)負(fù)了海量數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算工作，而這種高密度數(shù)據(jù)處理背后，則是不斷攀升的耗電量。以中國(guó)為例，全國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量的增速已連續(xù) 8 年超過(guò) 12%——2017 年，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量就已經(jīng)達(dá)到 1200-1300 億千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字超過(guò)了三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量之和；預(yù)計(jì)到 2020 年，這個(gè)數(shù)值將達(dá)到 2962 億千瓦時(shí)，2025 年則會(huì)高達(dá) 3842.2 億千瓦時(shí)。

在全球范圍內(nèi)，同樣的趨勢(shì)也在發(fā)生，有分析稱到 2025 年，數(shù)據(jù)中心將占到全球能耗的 33%，位居能耗第一把交椅。而隨著 AI 人工智能等需要更充沛算力支持的技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)際的數(shù)據(jù)中心能耗增速，很可能比這個(gè)更快。

既然是耗電大戶，那么考慮如何讓數(shù)據(jù)中心更省電，就成了人們努力的方向。為此，人們對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成進(jìn)行了分析：

1. 對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，IT 設(shè)備的能耗最高，約占到總能耗的 50%，這部分能耗是直接用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理的；

2. 其次，制冷系統(tǒng)能耗占比約為 35%，主要是在 IT 設(shè)備運(yùn)行時(shí)為其降溫，確保其能夠在規(guī)定的工作溫度范圍為內(nèi)正常工作；

3. 接下來(lái)是配電系統(tǒng)的能耗，主要是 UPS 設(shè)備的能耗和電能在配電系統(tǒng)傳輸和變壓轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損耗，約為 10%；

4. 最后一項(xiàng)是照明和其他數(shù)據(jù)中心配套支持系統(tǒng)的能耗，約占 5%。

圖 1：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成

為數(shù)據(jù)中心“退熱”

在此基礎(chǔ)上人們又提出了一個(gè)衡量數(shù)據(jù)中心能源利用效率的指標(biāo) PUE（(Power Usage Effectiveness)，其含義為數(shù)據(jù)中心全年總耗電量除以其中 IT 設(shè)備全年耗電量，也就是上述數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成中的 1-4 項(xiàng)總和與第 1 項(xiàng)數(shù)值之比。從這個(gè)定義可以看出，PUE 越低則說(shuō)明數(shù)據(jù)中心在 IT 設(shè)備以外消耗的電能越少, 越節(jié)能。

因此，如何將 PUE 的數(shù)值降下來(lái)，也就成了數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者和行業(yè)管理部門最操心的事情。比如在中國(guó)，2019 年 2 月國(guó)家工信部、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局和國(guó)家能源局三部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出了“到 2022 年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到 1.4 以下”的目標(biāo)，而以前很多老舊數(shù)據(jù)中心的 PUE 普遍大于 2，可見現(xiàn)實(shí)和理想之間的 gap 還是不小的。

從數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)中我們可以看出，想要顯著減低 PUE，一個(gè)最直接的方法就是減少制冷系統(tǒng)的能耗，因?yàn)槠湓诜?IT 設(shè)備能耗中占大頭。為此，人們也是煞費(fèi)苦心，祭出了不少大招兒。比如采用散熱效率更高的液冷（水冷）方式，或者干脆將數(shù)據(jù)中心建造在環(huán)境溫度較低的地區(qū)——甚至是在北極和海底。更高大上一些的做法還包括將 AI 技術(shù)引入到能耗管理中，谷歌就宣稱建立了 PUE 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)中心能耗管理方法，將總的制冷功耗降低約 40%, 從而使得數(shù)據(jù)中心的總功耗降低 15%左右。

從 IT 設(shè)備的電源管理入手

不過(guò)上面這些大小招數(shù)，都有一個(gè)共同之處，就是消除數(shù)據(jù)中心 IT 設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生的熱量。而實(shí)際上除此之外，還有一個(gè)更為根本的措施，那就是從 IT 設(shè)備（比如服務(wù)器）自身出發(fā)，通過(guò)有效的電源管理提升其能效，盡可能減少能量損耗所產(chǎn)生的熱量。只有在前端和源頭的工作做得更好，后續(xù)冷卻散熱處理的壓力才會(huì)更小。

半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，是減少服務(wù)器中擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)計(jì)算處理工作的 IC 能耗、提升其效率最基礎(chǔ)的方法。不過(guò)大家也知道，工藝進(jìn)入納米級(jí)之后摩爾定律的推進(jìn)速度日漸放緩，在有些方面可以說(shuō)是舉步維艱，因此單單指望這一個(gè)方面的努力，肯定是無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心當(dāng)下的節(jié)能增效之需的，因此我們還需要從其他一些細(xì)節(jié)之處去挖潛。

比如說(shuō)服務(wù)器中主處理器所需的電能，都是經(jīng)過(guò)外圍的電源管理器件轉(zhuǎn)化處理后提供的，而以往由于這些電源管理器件的外形尺寸問(wèn)題，無(wú)法將其放置在處理器芯片的附近，而從電源管理器件到處理器之間較長(zhǎng)的布線勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致額外的功率損耗，產(chǎn)生更多的熱量。為此，就需要配套的電源管理器件朝向高效率和小型化的方向進(jìn)行演進(jìn)。

比如 TDK 新近開發(fā)的新款μPOL? DC-DC 轉(zhuǎn)換器，利用 3D 封裝技術(shù)將電源管理 IC、電感器等元器件集成到一個(gè)僅為 3.3 mm × 3.3 mm × 1.5 mm 的封裝中，且能夠支持 6A 輸出電流，與其他同類產(chǎn)品相比，解決方案尺寸縮小了一半，而功率密度則高達(dá) 1W/mm3。

圖 2：采用 3D 封裝的μPOL? DC-DC 轉(zhuǎn)換器尺寸更小，能量密度更高（圖片來(lái)源：TDK）

這樣的小型化設(shè)計(jì)，使得μPOL? DC-DC 轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以盡可能靠近負(fù)載點(diǎn)，避免了由于布線距離長(zhǎng)而產(chǎn)生的能耗。而且該器件自身還具有出色的散熱特性，可以貼裝在空氣流動(dòng)不佳的電路板背部，從而進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)靈活性并節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)所占的空間。

圖 3：μPOL? DC-DC 轉(zhuǎn)換器與以往產(chǎn)品的比較（圖片來(lái)源：TDK）

未來(lái)世界將是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，這已經(jīng)成為了人們的共識(shí)；而為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先就要有足夠的能量去“驅(qū)動(dòng)”這些數(shù)據(jù)，在這個(gè)方面人們的體認(rèn)也在不斷深化。伴隨著這一發(fā)展過(guò)程的，是一系列電源管理技術(shù)的進(jìn)步?？紤]到數(shù)據(jù)中心在未來(lái)世界能耗結(jié)構(gòu)中的地位，我們從電源管理中獲得的每 1%或者是 0.1%效率的提升，都會(huì)成為數(shù)據(jù)中心的“退熱貼”，為數(shù)據(jù)中心的“健康”運(yùn)轉(zhuǎn)，乃至整個(gè)社會(huì)的節(jié)能減排做出實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)。