隨著大型語言模型徹底改變我們訪問數(shù)據(jù)的方式，人工智能(AI) 的進(jìn)步正在顛覆各行各業(yè)及社會(huì)對數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源的運(yùn)用模式。我們正逐步進(jìn)入能夠直接向 AI 提問并獲取詳盡答案的時(shí)代，這與向真人提問無異，而非僅僅在搜索引擎中輸入特定關(guān)鍵詞。當(dāng)然，這僅是 AI 能力的冰山一角。AI 還能編寫代碼、生成圖像和視頻、完成會(huì)議記錄與紀(jì)要。為實(shí)現(xiàn)所有這些 AI 功能，需要的電力急劇攀升。

要提供如此大的電力并確保AI 能夠充分發(fā)揮其潛力，需要重新構(gòu)想數(shù)據(jù)中心的 IT 服務(wù)器機(jī)架結(jié)構(gòu)，以及獲取與輸送電力的最佳方式。本文將深入探討三個(gè)核心議題：數(shù)據(jù)中心如何獲取電力并輸送至執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的服務(wù)器功能；為何必須改變配電架構(gòu)才能滿足快速演進(jìn)的 AI 計(jì)算與電力需求；以及如何實(shí)現(xiàn)這種變革。

圖1 展示了 IT 服務(wù)器機(jī)架級(jí)電力需求隨時(shí)間的變化趨勢。圖 1 預(yù)計(jì)，到 2028 年單個(gè) IT 機(jī)架將需要 1.5MW 的電力，這是當(dāng)前服務(wù)器機(jī)架所消耗電力的 10 倍。

圖1. 機(jī)架級(jí)電力需求

演進(jìn)簡史

為理解數(shù)據(jù)中心與服務(wù)器內(nèi)電力輸送網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的巨大變革，我們有必要先回顧一下當(dāng)前的架構(gòu)。圖2 所示為第一代配電架構(gòu)，自 20 世紀(jì) 90 年代至今，該架構(gòu)一直在服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。圖 2 的左上區(qū)域?yàn)閬碜越涣麟娋W(wǎng)的三相交流電。此電力通過變壓器從約 13kV 的“中壓”降為 480V 交流線電壓。不間斷電源 (UPS) 為此電壓提供緩沖。

當(dāng)交流電網(wǎng)斷電時(shí)，UPS 利用本地蓄電池和逆變器功能維持?jǐn)?shù)據(jù)中心服務(wù)器的運(yùn)行，直至自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān) (ATS) 或靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān) (STS) 啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)接管供電。480V 交流線電壓相當(dāng)于 277VAC 相電壓。

將277VAC 的三相電力輸送至 IT 服務(wù)器機(jī)架后，電源單元 (PSU) 將執(zhí)行功率因數(shù)校正 (PFC) 并生成穩(wěn)定的 12V 輸出，以便分配至服務(wù)器 IT 托盤。這種 12V 配電電壓適用于第一代架構(gòu)，為各種負(fù)載、電壓穩(wěn)壓器和其他負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器 (PoL) 供電，產(chǎn)生電壓以為整個(gè)服務(wù)器托盤中使用的處理器、存儲(chǔ)器和通信集成電路供電。當(dāng)總機(jī)架功率約為 10kW 至 20kW 時(shí)，這種架構(gòu)運(yùn)行良好。然而，隨著對更高計(jì)算能力的需求增加，支撐這些計(jì)算功能所需的電力也在增加。

圖2. 第一代傳統(tǒng)機(jī)架服務(wù)器

圖3 展示了數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)的下一次演進(jìn)。從圖 3 的左上區(qū)域可見，此架構(gòu)起始于相同的中壓輸入電源。與第一代架構(gòu)類似，變壓器將三相 13kV 轉(zhuǎn)換為 480VAC 線電壓。此架構(gòu)不再采用 UPS，而是將等效的 277VAC 相電壓直接輸送至 IT 機(jī)架內(nèi)部的本地 PSU。這些 PSU 不再專用于每個(gè)服務(wù)器托盤，而是整合在統(tǒng)一的電源架中。在此背景下，電源架本質(zhì)就是一組電源，其輸出共同承擔(dān) IT 設(shè)備的負(fù)載需求。

N+1 配置中的每個(gè)電源架通常包含六個(gè) PSU，以實(shí)現(xiàn)冗余。可通過添加電源架來滿足 IT 機(jī)架的總電力需求。這些電源架輸出 50VDC 總線電壓，通過沿服務(wù)器機(jī)架背面鋪設(shè)的大電流匯流排分配至各個(gè) IT 托盤。一些第二代裝置保留了 UPS 功能，而其他裝置會(huì)將其移除（如圖 3 所示）并替換為本地電池備份單元 (BBU)，使 50VDC 總線維持供電，直至電源恢復(fù)或備用發(fā)電機(jī)接管供電。在某些情況下，電容器架或電容器備用單元 (CBU) 有助于消除與任何電源中斷相關(guān)的過大電壓瞬變和電流瞬變。每個(gè) IT 托盤內(nèi)的 50V 總線連接到本地中間總線轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生為 IT 托盤中系統(tǒng)負(fù)載供電所需的 12V 電壓。

圖3. 第二代 — 云與 AI 計(jì)算

第二代架構(gòu)使IT 機(jī)架負(fù)載能力突破第一代架構(gòu)限制，實(shí)際負(fù)載可達(dá) 100kW 級(jí)別。一旦所需的總功率開始達(dá)到 200kW 左右，配電損耗就會(huì)顯著增加，導(dǎo)致進(jìn)一步提升功率變得不切實(shí)際。

AI 數(shù)據(jù)中心電力輸送

負(fù)責(zé)運(yùn)行高級(jí)AI 模型的數(shù)據(jù)中心機(jī)架預(yù)計(jì)在 2028 年前突破 1MW 功率。假設(shè)匯流條電壓為 50V，在第二代架構(gòu)中配送這一功率需要產(chǎn)生 20,000A 的電流。輸送如此大電流所需的匯流條將會(huì)很重、成本高昂且不切實(shí)際。因此，新型 AI IT 服務(wù)器機(jī)架采用 800VDC 或 ±400VDC 的更高電壓總線進(jìn)行配電，可以將匯流排的大電流要求從 20kA 降低到 1.25kA。這種量級(jí)的電流降低將有助于保持較高的整體電力輸送效率，并支持使用體積更小、密度更低的銅匯流排。圖 4 展示了這一架構(gòu)。

第二代架構(gòu)的電源架被側(cè)裝式電源艙取代，側(cè)裝式電源艙將三相480VAC 電網(wǎng)電壓作為其輸入。側(cè)裝式電源艙將此輸入轉(zhuǎn)換為 800VDC 或 ±400VDC 總線電壓并配送到一個(gè)或多個(gè) IT 服務(wù)器機(jī)架。側(cè)裝式電源艙現(xiàn)在還包括 BBU。除了提高配電效率，第三代架構(gòu)還在 IT 機(jī)架中為計(jì)算功能提供了更多空間。

從某種意義上講，提升IT 服務(wù)器機(jī)架的計(jì)算密度比解決配電問題更為關(guān)鍵。為了讓 AI 發(fā)揮最佳功能，基于 AI 的 IT 機(jī)架會(huì)使用數(shù)百個(gè)處理器來快速處理所需的計(jì)算量。這些處理器需要能夠在高密度的封裝空間中相互通信。從 IT 機(jī)架中移除大部分電源轉(zhuǎn)換功能后，可以在更小的空間內(nèi)安裝更多的處理器。現(xiàn)在，機(jī)架中的每個(gè) IT 托盤都以此 800VDC 或 ±400VDC 總線電壓作為輸入。然后，托盤中的中間總線轉(zhuǎn)換器將該電壓轉(zhuǎn)換為 IT 托盤上的配電電壓。根據(jù)所選架構(gòu)，配電電壓可以是 48V、12V 甚至 6V。

圖4. 第三代 — AI 計(jì)算直流配電側(cè)裝式電源艙

未來將如何發(fā)展？

盡管第三代架構(gòu)可以提升配電效率并顯著增加IT 機(jī)架內(nèi)的計(jì)算密度，但這樣做的代價(jià)是會(huì)占用數(shù)據(jù)中心 IT 機(jī)房的更多空間。因此，數(shù)據(jù)中心演進(jìn)的下一步是將側(cè)裝式電源艙的 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換功能從 IT 機(jī)房遷移至配電室。

圖5 展示了第四代架構(gòu)的規(guī)劃方案。在此架構(gòu)中，側(cè)裝式電源艙保留 BBU 功能，而 AC/DC 轉(zhuǎn)換功能則移入固態(tài)變壓器 (SST)。第一、二、三代架構(gòu)的輸入電壓均為電網(wǎng)提供的 13kV 中壓。該電壓被變壓為三相 480VAC 配電總線電壓，然后轉(zhuǎn)換為直流配電總線電壓。SST 同時(shí)取代了 13kV 變壓器和 480VDC 至 800VDC 或 ±400VDC 電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。SST 在單個(gè)電力轉(zhuǎn)換階段實(shí)現(xiàn) PFC 功能、電壓降壓和直流轉(zhuǎn)換。備用發(fā)電機(jī)現(xiàn)在需要連接至中壓節(jié)點(diǎn)，或通過 AC/DC 轉(zhuǎn)換器接入 SST 輸出端。最終實(shí)現(xiàn)了更高效的配電網(wǎng)絡(luò)，并為 IT 機(jī)房騰出更多計(jì)算空間。

圖 5 . 第四代— AI 計(jì)算 SST 與直流配電

實(shí)現(xiàn)愿景的技術(shù)支撐

每一代配電架構(gòu)都需要大量的精密電源轉(zhuǎn)換功能。這些功能包括PFC、800VDC 或 ±400VDC DC/DC 轉(zhuǎn)換、二極管 ORing、均流、熱插拔、保護(hù)、控制及功率計(jì)量。先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)是確保各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)極致性能與效率的關(guān)鍵。例如：

? 執(zhí)行 PFC 并生成直流總線電壓需要實(shí)時(shí)微控制器。

? 實(shí)現(xiàn)電感器-電感器-電容器 (LLC) 和 PFC 等拓?fù)湫枰咝У膶拵栋雽?dǎo)體開關(guān)。

? 支持功率計(jì)量、控制與保護(hù)需要精確的電流和電壓檢測。

? 為系統(tǒng)內(nèi)各種隔離式開關(guān)供電需要小尺寸、高效的偏置電源和柵極驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)語

AI 正在改變我們與信息和數(shù)據(jù)的交互方式。為了滿足電力轉(zhuǎn)換需求，數(shù)據(jù)中心亟需新型配電架構(gòu)。本系列的后續(xù)文章將深入解析 PSU，探討儲(chǔ)能，分析中間總線轉(zhuǎn)換器與電壓穩(wěn)壓器的發(fā)展趨勢，以及闡釋支撐這些功能的主要技術(shù)和半導(dǎo)體解決方案。