從電網到芯片：優化AI數據中心的能源效率

　　為了滿足日益增長的AI數據中心容量需求，必須克服在計算能力、電力供應和冷卻系統擴展方面的復雜挑戰。偉創力嵌入式和關鍵電源解決方案副總裁Mattias Jansson深入探討為保持領先所需的電力系統架構。

　　新一代半導體技術與現代數據中心基礎設施所釋放的強大算力正在推動人工智能和機器學習等技術快速融入日常生活。然而，隨著高性能計算系統的加速部署，數據中心的能源消耗正承受前所未有的壓力。據國際能源署(IEA)預測(1)，到2026年，全球數據中心的年耗電量將超過1000太瓦時(TWh)，相當于2023年加拿大、波蘭和阿根廷三國電力消耗總和。

　　應對電力系統架構的現實制約

　　數據中心運營商不僅需要接入更多電力來源，還必須具備高效分配電力的能力——從電網到設施、機架，最終傳輸至芯片。同時，他們也面臨著降低計算基礎設施資本支出的巨大壓力，包括電源系統、配電系統和冷卻解決方案。在此背景下，削減能源成本和降低環境影響同樣至關重要。為了提升投資回報率并通過基礎設施優化獲得競爭優勢，最大化電力轉換效率、最小化運營成本已成為運營商的首要任務。

　　然而，電力系統架構本身也面臨一些重大限制。例如，芯片層面趨向于更低電壓、更高電流的趨勢，意味著最終的電力轉換階段必須盡可能靠近負載，以最小化電壓損耗和信號干擾，并應對現代處理器快速變化的負載需求。此外，將電力電子設備靠近芯片布置，也帶來了熱管理方面的挑戰，尤其是在空間受限的環境中。

　　上游的電力轉換(即從電壓調節模塊 VRM 開始)通常通過分布式電源架構分階段實現。這一過程包括與市電連接的AC/DC轉換器、備用電源系統，以及在最佳電壓水平下運行的中間母線，以便控制電流在可管理范圍內。這些分階段的設計有助于有效降低導體的尺寸與成本，減少系統能耗與電壓降。

　　在設計最優的電力架構還涉及將電源轉換器集成至數據中心的冷卻系統中，并就在何處引入電氣隔離做出決策，以降低安全風險和防止地環路問題。歸根結底，由功率密度和能效決定的物理空間限制和散熱需求，在電力設備的部署位置和方式上起著決定性的作用。

　　尋找數據中心電力分配的最優解決方案

　　數據中心的電力分配涵蓋了從傳統的交流電網變壓器和開關設備，到機械母線系統，再到以兆赫茲(MHz)頻率運行的高頻直流/直流(DC/DC)轉換器等廣泛技術。由于可選方案眾多，確定最有效的配置往往難以評估，在某些情況下甚至容易受到主觀判斷的影響。

　　例如，系統架構師可能更傾向于采用800伏直流電進行配電而非傳統的48伏直流電，這樣可以降低電流水平，最大限度減少功率損耗和電壓降，并且能夠使用更小、更具成本效益的母線和電纜。然而，更高的電壓也帶來了更嚴格的合規要求，包括額外的絕緣、電氣隔離措施以及認證流程。同時，這也對人員安全提出了更高要求，僅允許具備相應資質的工程師和技術人員操作此類系統。相比之下，48伏直流母線仍是廣受歡迎的選項，其優勢在于行業應用廣泛，零部件選擇豐富、貨源充足，且因規模效應而成本更低。同時，48伏直流電本身低于安全特低電壓(SELV)限制，具備天然的安全性。

　　另外一個關鍵的設計考量是中間母線電壓應采取穩壓還是非穩壓方案。非穩壓、隔離式設計能夠實現更高的效率和更好的功率密度，但這類方案通常需要精選下游轉換器以確保兼容性。部分系統則采用混合式穩壓策略，即允許母線電壓在預設范圍內波動，僅當電壓超出這些閾值時才啟動主動控制。這種方式在保持高效率的同時，也為下游電源轉換提供了更大的靈活性。

　　實現數據中心端到端電力轉換優化

　　要確定從電網到芯片的電子轉換與分配的最優方案，需要采取整體性的設計思路。目前傳統的“電源樹” 架構已經難以滿足新一代系統的需求，因為各級電能轉換之間的邊界正在發生變化。例如，直流/直流轉換器如今通過垂直供電(VPD)技術在電氣與熱管理層面與處理器緊密集成，并針對不同處理器的引腳布局進行定制化設計。

　　當電能轉換鏈條中的組件來自多個供應商時，系統不兼容的風險會顯著增加。各供應商往往采用各自的專有技術，彼此之間難以完全兼容，使得構建統一協調的系統更加復雜。這也凸顯了與經驗豐富、值得信賴的電力轉換合作伙伴合作的重要性——其能夠提供端到端的集成解決方案，在確保各組件協同適配的同時，實現系統性能優化、成本有效控制，并提供長期穩定的技術支持與專業指導。

　　偉創力提供種類豐富的數據中心電源與冷卻產品，涵蓋直流/直流穩壓器、總線轉換器、中低壓交/直流轉換方案、配電、關鍵備用電源系統，以及機架級與芯片級冷卻解決方案。此外，偉創力還提供定制化設計服務，包括垂直供電結構配置以及用于部署前系統建模的仿真工具。同時，偉創力也配套提供全面的監測與技術支持，確保系統長期穩定運行并保持可靠性能。

　　隨著數據中心容量需求持續快速增長，運營方亟需不僅能夠提供優質產品，并且能夠交付完整、可擴展解決方案的可靠合作伙伴。偉創力憑借在設計、產品開發、制造、系統集成及供應鏈管理等方面的深厚專業積淀，助力數據中心實現高效擴容，滿足不斷演進的性能需求，并確保所需容量按時上線。無論是既有設施升級，還是新建項目部署，快速、可靠地在全球范圍內推進新一代供電與散熱基礎設施，已成為提升數據中心韌性的關鍵因素。

　　垂直供電：提升效率與性能

　　垂直供電(VPD)通過提升供電效率與系統可靠性、顯著降低能耗，在數據中心電源管理中發揮重要作用。相比之下，傳統的橫向供電方式容易在印制電路板(PCB)上造成較大的功耗，不僅增加了能耗成本，也加劇了散熱難度。VPD通過將電壓調節器直接置于高性能處理器下方，顯著縮短了供電路徑。這種更近的布局可降低電源層阻抗、提升電流密度，并大幅減少功率損耗。進一步地，VPD設計通過直接連接處理器或ASIC的底部供電引腳，在效率和性能方面實現了更高程度的優化。

　　提升芯片級散熱效率

　　雖然加速計算平臺為數據中心帶來了更高的功耗需求，但由此產生的熱量也對冷卻解決方案提出了巨大挑戰。直冷技術通過將處理器產生的熱量直接傳導至液冷冷板，有效提升了散熱效率。與傳統的風冷方式相比，這種方法在熱傳輸和熱移除方面表現更優，同時也使主板設計更加靈活，無需再將處理器和散熱器靠近風道出口布置。偉創力旗下公司JetCool進一步提升了這一方案，采用微射流技術，可精準冷卻芯片上的熱點區域，從而在芯片級別實現更高效的散熱性能。

　　智能管理，實現不間斷供電

　　對于數據中心而言，穩定、可擴展的電力供應至關重要，既是避免宕機與數據丟失的保障，也是系統高效與安全運行的基礎。電力故障、負載不均或供電效率低下，都可能引發例如服務中斷、過熱甚至設備損壞等嚴重后果。

　　偉創力旗下公司 Anord Mardix 推出的預制模塊化電源系統，能夠省去數據中心擴容計劃中耗時且成本高昂的改造工作。這些模塊將變壓器、開關設備及不間斷電源(UPS)等關鍵部件集成于一個結構緊湊且經過預先測試的整體模塊中，可快速部署，最大限度減少運行中斷。