? ? ? ? ?谷歌在不斷優化并精簡其數據中心的供電架構，從最早的定制高效率PSU電源，去掉機房級UPS，將UPS搬到服務器主板上，提升供電效率并減少機房級UPS投資及損耗;隨著服務器機柜功率不斷增加，以及進一步降低能耗，谷歌轉而采用了48V供電架構，在這個方向變化過程中，中間還過度有12V中間轉換環節的階段，直到2013年才實現了從電網到48V再到CPU的極致精簡架構，去掉了機房級UPS，去掉了機柜級48V到12V的二次轉換，并在服務器主板級實現了48V到CPU的單級變換，最后在2015年最后將鉛酸電池替換成鋰電池，最終實現了最新的48V整機柜架構。

　　下圖是在OCP峰會上google的48V機柜介紹資料

　　谷歌48V機柜的布局

　　谷歌這個半柜高度48V供電整機柜的幾個特點：

　　1、采用48V供電POL架構比起傳統的12V服務器架構降低了30%以上的能耗，大大降低了全球云數據中心的能耗;

　　2、采用了定制的48V供電POL服務器，所有服務器供電均來自整機柜后側的48V母線排，采用48V母線也可以支撐未來單機柜功率密度增加到50KW以上;

　　3、將48V電源插框放到機柜頂部，將48V鋰電池房到了機柜底部，估計是擔心服務器溫度影響電池壽命;

　　4、采用了48V供電的TOR交換機，由兩個較小的48V電源給交換機供電，其實可以不用單獨配置;

　　5、POL服務器采用了混搭的方式，部分可能為CPU節點，GPU節點，或者存儲節點等任何配置;

　　6、2U不到高度的PSU插框里邊有8個48V的插槽，安裝了6個PSU電源模塊，考慮5用1備以及UPS充電功率，參考行業典型的3KW高效率電源模塊，估計半機柜負荷大約在12到14KW的峰值功率，整個機柜的話兩套UPS的功率將翻倍。

　　7、48V的UPS電池也是模塊化設計，可以根據IT功率以及備電時間來選擇需要的模塊電池數量，上圖目視滿配可以支持多達10個電池包。

　　8、谷歌已經大規模使用這個技術好幾年了，技術上非常成熟，效率很高，成本也得到很大降低。

　　谷歌貢獻給OCP的48V供電機柜

　　谷歌貢獻給OCP的48V機柜的幾個特點：

　　1、21英寸的內寬，可以支持各種類型的服務器，但可能在機柜深度方面比通用OCP的柜子更短，以便在數據中心內可以安裝更多機柜列;

　　2、可以安裝在各種類型的數據中心內，滿足各種用戶和部署在全球各地的數據中心內使用;

　　3、冷通道維護，前面兩側可安裝網線，或者可選的48V直流PDU;

　　4、48V UPS插框安裝在機柜的中部，大約2U的高度為電源空間（不含電池），配置6個PSU模塊，如果采用3KW的典型48V電源模塊，則可以支撐最大15KW的機柜功率。

　　5、由于采用了機柜內的UPS架構，機房級直接采用市電直供，由機柜頂部的母線排直接給整機柜供電，即插即用，供電架構非常簡單和扁平，效率和成本較優。

　　6、如果其他用戶的服務器仍然采用12V輸入的主板，那也可以通過在這個48V機柜內增加一個48V轉12V的DCDC變換器來滿足原有12V輸入服務器。

　　7、目前谷歌已經和facebook對這個新的機柜和48V UPS技術準備一個新的規格提交給OCP審批，給行業增加更多的選擇。

　　前面簡單分析了該48V整機柜的特點，該整機柜自帶48V鋰電池BBU，不再需要機房級的UPS，配電結構非常精簡，可以大大減低投資和系統能耗，下面我們做個48V整機柜架構和傳統UPS供電架構的簡單能效對比。

　　采用傳統的UPS供電架構，每臺服務器自帶PSU電源的傳統系統如下圖，從電網到12V服務器主板，大約有22%的能耗被浪費了，傳統UPS架構下即便采用目前高效率的供電系統，市電到服務器的12V主板也會有6.4%的能耗浪費。

　　傳統UPS供電架構下的供電能效

　　而采用谷歌推薦的48V整機柜供電架構，不再需要UPS和復雜變配電單元，市電直接給到整機柜來供電，市電到服務器主板的典型損耗為7%，目前業界領先水平可以控制在4%以內的損耗。

　　傳統48V整機柜供電架構下的供電能效

　　因此兩者對比下來，采用市電直供48V整機柜帶BBU電池包的供電架構比采用傳統UPS帶12V PSU的機架式服務器供電架構，從電網到服務器主板典型的系統能節能量為15%。

　　我們再看服務器主板到CPU的供電路徑上，采用12V主板和48V主板能耗的對比，這里以數據中心所采用的典型Vicor公司產品為例來計算，分別比較機柜級PSU整流模塊效率、12V和48V方案在服務器主板上的傳輸損耗，以及12V或者48V到CPU、RAM等的降壓POL電源的綜合效率。從AC-DC電源的輸出端經過連接器，傳輸路徑，再經過轉換最后輸送到處理器。對整體效率來說，傳輸路徑上的損耗也不容忽視。下圖是從AC到CPU的全路徑狀況。

　　下圖為google在OCP峰會上發布的效率對比。特別指出，在采用48V的供電架構，路徑上的損耗將更進一步減少。

　　從上表的參數我們可以計算得到，采用48V供電的總體損耗為7.9%，而采用12V傳統架構的損耗為10.7%. 損耗減少超過30%。

　　Vicor的48V架構稱為FPA（Factorized Power Architecture），由兩個部分構成。前端為采用升降壓拓撲結構的預穩壓模塊（PRM），提供穩定的Vf母線電壓，輸出電壓會根據負載的變化快速響應。后端為采用專利正弦幅值變換器（Sine amplitude converter）的電壓變壓模塊（VTM），將Vf母線電壓轉換到負載點電壓，其工作特性為理想變壓器，可以將能量存儲在高壓側電容，從而極大減少負載點的大電容。VTM采用零電壓、零電流的軟開關技術，工作頻率高達2MHz以上，具有領先的功率密度，Intel實驗室的測試表明，其噪聲比傳統的12V VR低一個數量級，因此可以放置在非常靠近CPU的地方，進一步減少電源輸出端到CPU電源引腳間的功率損耗。

　　采用AC-12V-1V的方案不管是PSU整流模塊的效率，還是服務器主板上的傳輸損耗，以及降壓POL電源的效率都低于采用AC-48V-1V的供電架構，采用12V母線架構下12KW整機柜僅在傳輸損耗上就達到了440W，占了將近4%的能耗。12KW的機柜在12V輸出下電流高達1000A，因此即便1毫歐的傳輸阻抗都會帶來1KW的能耗（當然也可以通過采用更大尺寸的銅排來降低傳輸阻抗，但會帶來更大的體積以及更高的成本），而同樣的負載功率下采用48V供電架構，電壓提升了4倍，電流降低為原來的四分之一，傳輸損耗得到很大降低。

　　下圖可以看到傳統的方案和Vicor FPA方案的一些簡單對比情況。

　　因此對于大功率的整機柜，如果仍采用12V的中間母線架構，會帶來很大的傳輸損耗，如果單機柜功率在8KW以內，損耗的問題還不太明顯，但如果機柜功率達到了12KW以上，這個傳輸損耗問題就會變得比較嚴重，而48V母線架構可以支持單機柜功率高達30KW以上，具有很好的未來擴展性并大大降低了傳輸損耗。

　　隨著高性能計算，以及GPU等應用發展，未來的服務器功耗將不斷增加，如果單機柜功率在10KW以下，12V母線還能勉強應對，但隨著機柜功率的不斷增加，12V母線帶來的損耗，以及壓降將成為難以承受之重，因此未來機柜內母線電壓一定會往48V方向發展，特別是在HPC等高性能計算場合。

　　隨著谷歌公司宣布加入OCP，并且將其48V貢獻給OCP的消息一經發布，馬上有知名芯片廠商宣布對48V到POL負載點的支持，并且發布相應的芯片。這一消息已經極大促進了48V產業鏈的生態完整，表明在數據中心供電架構上在穩步朝著48V的方向前進。 我們已經看到有國內服務器廠商已經推出了關于48V直流輸入的服務器驗證機，相信隨著谷歌加入OCP促進這個產業生態的發展，將來會有越來越多的服務器及網絡設備等支持48V的整機柜生態。

　　最后，我們將有可能在數據通訊領域看到如下的電源發展趨勢。