如今的數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行大語言模型及其他計(jì)算密集型人工智能（AI）與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用時，對電力的需求正變得極為巨大。圖 1 展示了 2010 年以來服務(wù)器機(jī)架功耗需求的增長趨勢，并預(yù)測到 2028 年。

1. 2010年至2020年間相對穩(wěn)定，機(jī)架級功率需求隨后爆炸式增長。

盡管在這一時期的前十年間功耗需求相對穩(wěn)定，但自 2020 年起出現(xiàn)了爆發(fā)式增長。因此，IT 服務(wù)器機(jī)架正在不斷演進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)從公用電網(wǎng)到半導(dǎo)體芯片門級的高效電力傳輸。

機(jī)架式服務(wù)器代際演進(jìn)

圖 2 展示了第一代數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)。這種方案自 1990 年代投入使用以來，將來自公用電網(wǎng)的三相中壓電降壓為線間電壓 480 V 交流電。

2. 第一代供電架構(gòu)包含前端不間斷電源（UPS），并向每個電源單元（PSU）輸送單相交流電。

該電壓被施加到基于電池的不間斷電源（UPS）。它可以濾除短暫的線路電壓跌落，或者在出現(xiàn)較長時間停電的情況下，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）或靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）維持服務(wù)器運(yùn)行，直至備用發(fā)電機(jī)投入使用。

從 UPS 輸出端開始，配電單元（PDU）將電力輸送至每個服務(wù)器托盤的電源單元（PSU），由 PSU 執(zhí)行功率因數(shù)校正（PFC）。PSU 同時生成穩(wěn)壓 12 V 直流輸出，供給各類穩(wěn)壓器（VR），包括負(fù)載點(diǎn)（PoL）穩(wěn)壓器，為服務(wù)器托盤內(nèi)的處理器、內(nèi)存和通信芯片提供低電壓。

當(dāng)機(jī)架總功率超過 10~20 kW 時，第一代方案開始力不從心。第二代架構(gòu)保留了 13 kV 中壓交流電網(wǎng)輸入以及 ATS/STS 備用發(fā)電機(jī)切換開關(guān)。不過，前端 UPS 的功能由每個 IT 機(jī)架內(nèi)的電池備份單元（BBU）或電容備份單元（CBU）所取代。

每個機(jī)架還包含一個 AC-DC 電源架，將 480 V 交流電轉(zhuǎn)換為 50 V 直流電。母線將 50 V 直流電分配至每個 IT 托盤，再由中間母線轉(zhuǎn)換器（IBC）生成 12 V 電源軌。

第二代架構(gòu)最高可支持單機(jī)架約 100~200 kW。但當(dāng)服務(wù)器機(jī)架達(dá)到 1 MW 功率級別時，50 V 直流母線需要承載的電流將達(dá)到 20,000 A，這一方案并不現(xiàn)實(shí)。因此，當(dāng)前的第三代供電架構(gòu)正向800 V 或 ±400 V 高壓直流（HVDC）母線遷移，將母線電流需求降至更易實(shí)現(xiàn)的 1.25 kA。

此外，在第三代架構(gòu)中，包含 AC-DC 轉(zhuǎn)換器、BBU 或 CBU 的交直流電源架被移入側(cè)掛式電源柜（Sidecar）（圖 3）。每個側(cè)掛式電源柜將高壓直流電分配至每個服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的 HVDC 母線，再由母線將高壓直流電輸送給機(jī)架內(nèi)每個服務(wù)器托盤的高轉(zhuǎn)換比中間母線轉(zhuǎn)換器（IBC）。

3. 第三代供電架構(gòu)包含側(cè)掛式電源柜（Sidecar），將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，再分配給服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的中間母線轉(zhuǎn)換器（IBC）。

下一代第四代架構(gòu)即將到來：側(cè)掛式電源柜將被移至配電室，從而釋放 IT 主機(jī)房的空間。此外，第四代架構(gòu)將 AC-DC 轉(zhuǎn)換功能集成到固態(tài)變壓器中，由其實(shí)現(xiàn)交流降壓、功率因數(shù)校正（PFC）以及電壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得更高效率。

計(jì)算密度

當(dāng)然，將電源組件移至側(cè)掛式電源柜、再將側(cè)掛式電源柜移至配電室，并不能消除這些組件本身占用的物理空間。德州儀器計(jì)算電源技術(shù)專家 Pradeep Shenoy 在一場視頻演講中評價(jià)道，側(cè)掛式方案 “釋放了 IT 機(jī)架內(nèi)的寶貴空間，從而提升整體計(jì)算密度。” 其結(jié)果是在每個機(jī)架內(nèi)密集部署更多處理器，最小化延遲，以優(yōu)化大型 AI 模型的執(zhí)行效率。

側(cè)掛式電源柜內(nèi)部可搭載下一代 30 kW 服務(wù)器電源單元（PSU），如圖 4 所示。該設(shè)計(jì)采用三電平飛電容功率因數(shù)校正級與三角形連接的三相 LLC 級，將三相輸入轉(zhuǎn)換為 ±400 V 輸出。

4. 這款下一代 30 kW 電源單元（PSU）置于側(cè)掛式電源柜內(nèi)，集成超過 20 顆德州儀器器件。

即便使用側(cè)掛式電源柜，部分電源組件（如中間母線轉(zhuǎn)換器 IBC）仍會保留在每個 IT 機(jī)架的 IT 托盤內(nèi)部，而處理器穩(wěn)壓器（VR）則位于處理器板卡上。申奧伊表示，傳統(tǒng)上這些穩(wěn)壓器采用橫向供電（LPD）方案部署。在橫向供電方案中，穩(wěn)壓器與處理器相鄰布置，可位于板卡頂部（圖 5，左上）或底部（圖 5，左下），電流在 PCB 層內(nèi)通過走線橫向流動。

5. 垂直供電（右側(cè)）將穩(wěn)壓器置于處理器正下方，相比橫向供電方案（左側(cè)）效率更高。

然而，這些走線的電阻會帶來額外的功率損耗與過多的熱量產(chǎn)生。因此，設(shè)計(jì)者開始采用垂直供電（VPD）方案：將這些穩(wěn)壓器貼裝在板卡背面、處理器正下方的位置（圖 5，右側(cè)）。

德州儀器提供種類豐富的電源器件，可最大化數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的緊湊性、性能、效率與可靠性。申奧伊舉例說明，如圖 4 所示的 30 kW PSU 可使用超過 20 顆 TI 器件，包括傳感器、控制器、功率開關(guān)、偏置電源與柵極驅(qū)動器。

德州儀器數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品組合的最新成員是 LMG365xR025：650 V、25 mΩ 氮化鎵（GaN）FET 功率開關(guān)，集成驅(qū)動器與保護(hù)功能。“通過集成這些功能，你可以最大限度發(fā)揮 GaN 開關(guān)的性能，同時解決系統(tǒng)級挑戰(zhàn)。” 申奧伊表示。

為幫助工程師快速開展 GaN 設(shè)計(jì)，TI 提供多種參考設(shè)計(jì)、評估板與子卡，支持對各類電路拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并研究它們與更大系統(tǒng)的交互。

結(jié)論

數(shù)據(jù)中心快速增長的電力需求，要求一套高效的從電網(wǎng)到芯片門級供電策略。TI 提供機(jī)架儲能與電源單元相關(guān)的完整器件組合，在最新一代配電架構(gòu)中扮演關(guān)鍵角色。