毫無(wú)疑問(wèn)，超級(jí)計(jì)算機(jī)架構(gòu)師在構(gòu)建更強(qiáng)大的機(jī)器時(shí)首先考慮的是他們的新機(jī)器將集成的處理器和處理器內(nèi)核的性質(zhì)和數(shù)量。當(dāng)然，支持超級(jí)計(jì)算機(jī)性能飛躍所需的創(chuàng)新較少。旨在提供不斷提高的效率和功率密度的電源對(duì)于支持超級(jí)計(jì)算和高性能計(jì)算 （HPC） 的進(jìn)步至關(guān)重要。

機(jī)架功率密度穩(wěn)步提高

越來(lái)越多的公司依靠超級(jí)計(jì)算和 HPC 來(lái)處理不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)池。這些公司越來(lái)越多地使用人工智能 （AI） 和機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 來(lái)提取可用于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的見(jiàn)解。對(duì)更多處理能力的需求是永不滿(mǎn)足的。滿(mǎn)足這種需求幾乎總是基于增加處理器和處理內(nèi)核的數(shù)量。超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)消耗了大量的電力，而且它們已經(jīng)消耗了大量的熱量。當(dāng)然，添加處理器會(huì)增加功耗和散熱量。

圖1.隨時(shí)間變化的平均機(jī)架功率密度

根據(jù) Uptime Institute 2020 年的一項(xiàng)調(diào)查，服務(wù)器機(jī)架的平均功率密度在過(guò)去 3 年中增加了 5.10 倍，達(dá)到每個(gè)機(jī)架 8.4 kW（見(jiàn)圖 1），現(xiàn)在 10% 的應(yīng)用超過(guò)每個(gè)機(jī)架 30 kW（2020 Uptime.com）。功率密度的提高不僅需要高效的電源來(lái)減少熱量輸出，而且通常需要針對(duì)特定應(yīng)用的定制來(lái)優(yōu)化性能并提高可靠性。

改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間

合適的電源不一定是完全定制的設(shè)計(jì)。定制設(shè)計(jì)需要時(shí)間和金錢(qián)來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)頂級(jí)效率和性能并不容易。通常，應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的更有效解決方案是修改性能已得到證明的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。像Bel Power Solutions這樣的內(nèi)部公司可以提供修改后的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的快速工程樣品，以滿(mǎn)足特定的應(yīng)用要求。

下面的討論涵蓋了Bel的內(nèi)部修改解決方案，包括機(jī)架式前端鈦金和鉑級(jí)電源，具有定制的機(jī)械功能，電氣性能和固件/ PROM編程。

效率在高性能應(yīng)用中至關(guān)重要

隨著機(jī)架功率密度的增加，電源效率的重要性也隨之增加。當(dāng)系統(tǒng)通電并使用電力時(shí)，PSU 將交流（交流）電源轉(zhuǎn)換為直流（直流）電源。但是，問(wèn)題是在此過(guò)程中電源會(huì)消耗功率。這就是效率等級(jí)的用武之地。效率是提供給負(fù)載的輸出功率與提供給PSU的輸入功率之比（公式1），這兩個(gè)值之間的差值是PSU內(nèi)部作為熱量耗散的功率量（公式2）。

等式 1.

效率 [%] =輸出功率 [W]輸入功率 [W]x 100

等式 2.

功耗 [W] = 輸入功率 [W] - 輸出功率 [W]

內(nèi)部電路設(shè)計(jì)和組件決定了 PSU 將耗散多少功率。較低的效率表示 PSU 內(nèi)部消耗的功率更多，因此產(chǎn)生更多的熱量。必須從系統(tǒng)中去除這種熱量，這通常會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本和空間。

Bel Power Solutions 的前端電源提供行業(yè)領(lǐng)先的效率和功率密度。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品均旨在滿(mǎn)足 80-PLUS 計(jì)劃定義的鈦 （TET） 或鉑金 （PFE） 級(jí)效率。這為設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的高效選項(xiàng)，可用作定制解決方案的基本模型。

80 PLUS 認(rèn)證計(jì)劃

為了全面了解電源的效率性能，需要多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。電源不會(huì)在 100% 負(fù)載下運(yùn)行其整個(gè)使用壽命;實(shí)際上，更典型的做法是朝額定功率的中端或低端運(yùn)行。因此，測(cè)量幾種不同功率水平下的效率非常重要。

自愿性的 80 PLUS 認(rèn)證計(jì)劃將負(fù)載考慮在內(nèi)，并根據(jù)電源在多個(gè)指定負(fù)載條件下的效率對(duì)電源進(jìn)行分類(lèi)。在 2004 年首次開(kāi)發(fā)時(shí)，該程序只有一層，在 80 Vac 輸入下，在 20%、50% 和 100% 負(fù)載下需要至少 115% 的效率。從那時(shí)起，增加了更多的層次，并由熟悉的元素金屬識(shí)別（見(jiàn)表1）。除了效率級(jí)別之外，還有一些產(chǎn)品類(lèi)別對(duì)每個(gè)級(jí)別都有自己的特定限制，包括工業(yè)電源、內(nèi)部冗余電源和采用 380 Vdc 輸入運(yùn)行的電源。

表 1.80 多個(gè)級(jí)別和 230V 交流內(nèi)部冗余電源的要求

在評(píng)級(jí)的高端是80 Plus白金和鈦評(píng)級(jí)。超級(jí)計(jì)算機(jī)或高性能計(jì)算應(yīng)用程序可能至少需要白金級(jí) PSU。在所有測(cè)試負(fù)載條件下，鉑金電源將最低效率提高到90%或更高，并將所需的功率因數(shù)從0.9提高到0.95。鈦合金不僅提高了20%和50%負(fù)載下的效率限制，而且還增加了10%的負(fù)載要求，并將電源必須保持0.95功率因數(shù)的負(fù)載降低到20%，從而進(jìn)一步突破了極限。

鈦效率在大規(guī)模操作中比鉑金節(jié)省大量成本

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心和 HPC 應(yīng)用程序所需的功率增加，頂級(jí)鈦金效率的優(yōu)勢(shì)也在增加。鉑金和鈦金等級(jí)之間的 1-2% 差異可能看起來(lái)并不大，但對(duì)于前端 PSU 功率的許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，每一個(gè)百分點(diǎn)都很重要。

例如，在 2% 負(fù)載下運(yùn)行的 50 kW 應(yīng)用，鉑金的功耗為 63.8 W，鈦的功耗為 41.6 W。22.2 W 的差異表示從鉑級(jí)電源切換到鈦金屬電源時(shí)的功耗降低了 35%。對(duì)于容納數(shù)百或數(shù)千個(gè)機(jī)架的數(shù)據(jù)中心，節(jié)省的成本可以迅速增加。表 2 提供了從鉑級(jí)電源切換到鈦級(jí)電源可以實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)約示例。這促使Bel將其行業(yè)領(lǐng)先的專(zhuān)業(yè)知識(shí)集中在鈦級(jí)前端電源的開(kāi)發(fā)上。

表 2.鉑金和鈦金屬效率水平之間的成本差異示例

BEL 支持對(duì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行廣泛的修改

Bel 前端采用市場(chǎng)上最廣泛的前端電源，采用最新的集成電路 （IC），可提供行業(yè)領(lǐng)先的效率和功率密度。但是，實(shí)現(xiàn)最高效率并不是領(lǐng)先應(yīng)用的唯一要求。這些應(yīng)用程序往往具有獨(dú)特的和特定于應(yīng)用程序的要求，這些要求是現(xiàn)成的，并且通常會(huì)導(dǎo)致需要自定義。

圖3.TET1500 框圖

為了使這些頂級(jí)電源可供具有特殊要求的應(yīng)用使用，Bel 的工程師利用其廣泛的行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計(jì)產(chǎn)品組合以及內(nèi)部原型輸入功能，開(kāi)發(fā)了一種修改現(xiàn)有設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足特定客戶(hù)需求的有效流程。Bel 的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)可以修改其眾多標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中的任何一種，以快速生產(chǎn)用于測(cè)試和鑒定的工程樣品。這些功能縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，并降低了開(kāi)發(fā)完全定制設(shè)計(jì)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)械修改

許多常見(jiàn)的修改與電氣性能無(wú)關(guān)。這些修改可以像更改顏色一樣簡(jiǎn)單，以匹配品牌標(biāo)準(zhǔn)或機(jī)架中的其他設(shè)備。修改還可以包括增加前邊框或調(diào)整機(jī)械尺寸或形狀以適應(yīng)獨(dú)特的外形。

修改設(shè)備外觀很容易實(shí)現(xiàn)，因此最終用戶(hù)可以混合搭配機(jī)架中的其他產(chǎn)品。Bel 還可容納客戶(hù)特定的輸入和輸出連接器、機(jī)械鍵控、特定零件編號(hào)和特定包裝。作為一種選擇，Bel 將滿(mǎn)足機(jī)械師特定尺寸的獨(dú)特應(yīng)用。

高背壓應(yīng)用

改裝也可以用于高背壓應(yīng)用。在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，PSU 用戶(hù)可能會(huì)影響 PSU 冷卻。當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)扇與 PSU 冷卻、高阻力進(jìn)氣或排氣競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況。這減少了通過(guò)PSU的凈氣流，從而產(chǎn)生了昂貴的“背壓”問(wèn)題。在設(shè)計(jì)之初，必須了解電源、風(fēng)量要求，以及這可能如何影響最終應(yīng)用操作。

電氣性能修改

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的其他潛在修改包括對(duì)電氣規(guī)格的更改，例如輸出電壓設(shè)定點(diǎn)、輸出電流限制、保持時(shí)間和峰值功率。對(duì)于在控制較少的環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用，工作溫度也可以延長(zhǎng)。

使用現(xiàn)成的電源可能很難實(shí)現(xiàn)峰值性能。Bel前端的高級(jí)數(shù)字控制使他們能夠調(diào)整關(guān)鍵規(guī)格，以針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。輸出電壓的選擇等項(xiàng)目取決于許多因素，并會(huì)顯著影響系統(tǒng)性能。現(xiàn)成的電源通常僅限于幾個(gè)分立電壓選項(xiàng)。為了避免設(shè)置次優(yōu)電壓，Bel 的工程師可以快速修改現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的設(shè)定點(diǎn)電壓，以幫助實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。

在更高級(jí)的應(yīng)用中，定制輸出電壓可能不足以實(shí)現(xiàn)所需的性能。對(duì)于這些應(yīng)用，可以通過(guò)在制造過(guò)程中測(cè)量和調(diào)整單個(gè)單元的電壓來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化輸出電壓。這允許在特定負(fù)載條件下精確設(shè)置輸出電壓。例如，在半負(fù)載時(shí)將輸出電壓設(shè)置為12V +/- 0.05V，而不是正常的設(shè)定點(diǎn)精度12V +/- 0.12V。

在某些情況下，經(jīng)過(guò)修改的電源可以避免由于峰值功率需求過(guò)高而使用過(guò)大的電源，從而幫助節(jié)省空間。許多應(yīng)用具有很少發(fā)生的高峰值負(fù)載。某些電源的規(guī)格允許輸出功率的短時(shí)間明顯高于額定功率。通常，這些峰值功率事件的周期和占空比有明確的限制，Bel可以根據(jù)終端系統(tǒng)的需求進(jìn)行定制。如果沒(méi)有此功能，則需要更大的電源，該電源額定在峰值負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行。

圖5.功率提升特性示例

其他修改有助于確保可靠運(yùn)行。可以調(diào)整過(guò)流保護(hù)等保護(hù)功能以滿(mǎn)足特定的應(yīng)用要求，并確保電源在故障期間受到保護(hù)，并且對(duì)于給定的應(yīng)用不會(huì)過(guò)早或過(guò)晚跳閘。

如果確實(shí)發(fā)生故障，并且輸入功率丟失，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)切換到備用電源時(shí)，輸出保持一定時(shí)間的穩(wěn)壓非常重要。這段時(shí)間稱(chēng)為保持時(shí)間，也可用于備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)。可能需要修改保持時(shí)間，以保證在故障期間基于特定系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的持續(xù)運(yùn)行。

圖6.保持時(shí)間波形示例

固件/舞會(huì)修改

除了在固件中存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)置外，這些電源還包含可編程只讀存儲(chǔ)器 （PROM）。PROM 可用于存儲(chǔ)客戶(hù)和/或應(yīng)用程序特定信息，以便在操作期間訪問(wèn)。這些和其他修改選項(xiàng)可以快速應(yīng)用于Bel現(xiàn)有的和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)的廣泛列表，而無(wú)需花費(fèi)時(shí)間或風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全新的定制設(shè)計(jì)。

BEL 支持對(duì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行廣泛的修改

Bel Power Solutions 為不同的應(yīng)用提供全面的產(chǎn)品組合，例如存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)和電信行業(yè)，以及服務(wù)器的板安裝電源到系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。為了滿(mǎn)足這些應(yīng)用要求，Bel Power解決方案提供了修改機(jī)械、電氣性能和固件/PROM的能力。

審核編輯：郭婷