数据中心未来供电技术发展浅析

1、-. z.数据中心未来供电技术开展浅析2014-06-09 17:14 李典林腾讯字号：T | T随着数据中心技术的开展以及降低运营本钱和节能减排的需求，市电直供方案将在大型的互联网数据中心等场合的应用会越来越广泛，成为未来趋势。AD：WOT2014课程推荐：实战MSA：用开源软件搭建微效劳系统51CTO主办WOT全球软件技术峰会直减百元优惠活动抢票进展中！随着数据中心技术的大规模建立，以及更为关注能源利用效率，数据中心供电技术未来的开展方向一定是市电直供技术，在降低前提投资本钱的同时，还通过高效率供电减少后期运营本钱。这里所说的高效率不仅仅是指电网侧到IT设备的供电路径高效率，而是一次能源侧

2、到CPU等的整个能源路径上的高效率和绿色环保，虽然传统概念的PUE可能升高，但单位总能耗是降低的。未来的总体开展趋势是高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向开展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小(锂)电池等方向开展，从化石能源向绿色能源方向开展。数据中心数据中心供电不连续的核心在于不连续电源及其电池技术，因此电池连接的位置也决定了不同的供电架构。目前业界主流的备用电池电压从高到低分别有UPS的四百多伏，到直流电源的380V、240、及48V，甚至电池内嵌到IT设备内的12V等。下列图是目前业界在数据中心供电方面的主要技术方案，首先从集中式四百多伏铅酸电池的传统UP

3、S，其次到标准效劳器不用定制、240V电池直挂输出母线的240V高压直流技术，接着还有效劳器采用定制48V或者380V输入电源的48V直流或者380V高压直流电池直挂技术，最后再到google等的12V电池直挂效劳器主板输入方案。电池越靠近末端效劳器主板或者CPU，供电系统越为分散，相应的IT系统也更为分布式;电池越靠近末端，供电系统的定制化程度越高，普通用户规模开展的难度也越大;电池越靠近末端，对IT电源及电池的控制管理水平要求也越高。最后，电池越靠近末端，从电网到CPU供电路径上的转换级数也相应减少，带来更高的转换效率，但可能在低压侧传输损耗又会增加。因此，比照集中式和分布式、高压还是低压

4、，选择不同的供电架构，会很大程度上影响供电系统可靠性、供电效率、造价本钱等，还有技术、生态的成熟性以及应用灵活性等。此外，随着电池技术的开展，以及风能、太阳能、燃料电池等绿色能源在数据中心内的引入，给数据中心带来更多的机遇和挑战。从*种意义上说，数据中心不连续供电技术取决于电池技术的开展，电池的革新也会带来数据中心供电架构的变化，比方从传统的低密度铅酸电池到高能量密度锂电池技术的开展，就很可能把备份电池从电池室改放到IT机柜内。同样的电池技术的开展，使得风能、太阳能等波动性绿色能源实现储能的可能，也将改变传统数据中心来自单一电网供电模式等。这些更进一步的讨论这里不再展开，本文暂以业界用到的主流

5、技术为主，通过梳理粗浅分析，抛砖引玉，以便大家可以更为深入的探讨未来数据中心供电技术的开展方向。一、380V的高压直流系统1.1 传统的380V直流暂时没有市场380V高压直流技术在国内外已经开展了很多年了，也有很多研究和标准等，虽然较传统的UPS及48V通信电源系统有很多优势，但涉及IT设备电源的定制以及直流供配电等配套的跟进，截至目前开展的应用规模都很小，根本停留在实验室试点阶段。数据中心内部的设备复杂多样，从主要的效劳器设备到相对少量的网络设备，以及消防、弱电、照明等等，涉及很多行业及不同供给商，如果仅仅为了适应380V直流供电，数据中心内的全部设备都要定制，则带来的本钱增加及开展难度就

6、足以抵消了其节能利好，不管是在数据中心租赁方难以推广，在用户侧也无法承受，因此截至目前业界开展的380V高压直流工程规模都很小，示*意义大于实际节能收益。1.2 380V高压直流在未来新能源方面存在一定应用空间随着太阳能、风能及燃料电池等绿色能源的开展，这些分布式供电可能在未来会推进380V高压直流电源技术的开展。因为大局部的分布式清洁能源通常都是波动性的，需要先整流稳压并电池储能后才可以直接用于数据中心供电。而传统的48V电源系统因为电压较低，传输损耗及线缆投资较大，不适合于较大规模的分布式能源使用，而相对而言380V高压直流系统在这方面有较大优势。在IT设备侧，可以由DC/DC变换器直接将

7、380V高压直流降压到12V或5V甚至更低电压，减少了电源内部AC/DC整流环节，整个供电路经上效率较高，很可能是未来的开展趋势。但同样涉及IT设备电源的定制，以及依赖电池储能技术的开展，短期内仍无法规模开展。二、根本不用定制的240V直流针对380V高压直流技术技术不够成熟，且需要定制IT设备电源等问题，目前在国内大规模应用的240V高压直流技术很好的解决了380V高压直流的这些问题。源于220V电力电源技术和48V通信电源技术的240V高压直流，具有较为成熟的技术及生态积累，以及绝大多数的IT设备不用任何改造，可直接由240V高压直流直接供电。此外240V高压直流技术有高达96%的高效率、

8、智能节能休眠、高可靠性、热插拔易维护等特性，这些优点大大普及了240V高压直流技术在国内的开展实用，截至目前，全国已经有近10万台以上IT设备运行在240V高压直流下。2.1 AC+240V HVDC 50%+50%目前业界以腾讯为首等互联网公司提出的基于240V高压直流技术衍生出来的市电+240V高压直流供电架构，正进一步改变传统UPS等靠硬件多重冗余来保障可靠性的高投入低能效模式。对于目前大多数的双电源效劳器，可以采用如上图所示的采用一路市电直供，另外一路来自240V高压直流的供电架构。效劳器电源内部自动均流，市电和240V高压直流各承当一半负载。由于市电直供支路可以到达近100%的供电效

9、率，而240V高压直流供电具有的节能休眠控制策略可使其效率可在全负载*围内到达94%-96%，这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%-98%，比传统的UPS供电架构效率高出很多，在保证2N供电可靠根底上还实现了准市电直供技术的高效率。当然，对于少量的单电源效劳器，可以直接挂接在240V高压直流支路上。2.2 AC+240V HVDC 100%+0% 效劳器主从模式在前面市电+240V高压直流数据中心侧不用任何变化，如果能在效劳器的电源上做些主从设置，或者目前局部厂家的效劳器具备支持休眠一个电源的功能，则这种主从模式下，市电主供、高压直流系统休眠后备，综合供电效率更是高达99%，实现数据中心

10、供电系统的超高效率。实现效劳器电源主从模式的方式很多，如下采用腾讯专利的效劳器电源调压技术可以通过电源硬件上的微调，即可实现可靠的主从工作及故障切换等，开展起来非常容易。当然也可以通过更为高级的软件控制等策略实现双电源工作在主从模式下，这里不再展开说明。采用主从模式工作下的效劳器，由于从电源在市电正常的时候根本不带载，因此高压直流系统可以只是个容量很小的充电器，大大节省了240V高压直流电源系统的投资及空间占用，可以是电源和电池一体柜的简单电池柜设计。市电正常情况下，市电几乎承当绝全部负载，同时对电池充电备用，实现99%的供电效率。当市电停电的时，电池瞬间承当起全部IT负载，直至柴油发电机起来

11、带起整个数据中心负载，电池逐步退出并重新被充满，继续等待下一次停电发生。采用240V高压直流技术可以比传统供电方案实现高效率，甚至实现近100%的市电直供，但其双电源配置(当然也可以类似facebook采用市电+240V高压直流的单模块双输入电源设计降低本钱)以及高压电池等仍不是很完美方案，仍属于过渡技术，将会被新的更好技术取代。三、现有12V的市电直供给用情况：3.1 google的12V分布式UPSGoogle的12V挂电池方案采用分布式电源加分布式电池作掉电备份，原理是每个效劳器带一个电源并配一个铅酸电池，市电正常时候市电直接给设备供电并给电池充满电，市电中断时候电池放电备份几分钟，直至

12、柴发起来继续供电。有两个显著特点：1、电源产自中国，输出参数为13.65V &20.5A，这个效劳器的总输出功率不会超过250w。有趣的是这个电池接入开关电源，则开关电源当成一个UPS看也不为过，就是一个13.65v输出的ups，不会比市面上几百块钱最低档次的UPS更贵。2、关于电池，免维护铅酸蓄电池无疑，从公开的资料上其容量只有3.2ah，充其量只能够维持3、4分钟以内的效劳器掉电保护时间。该方案的核心技术是电池管理及切换控制，原理如下列图所示，实现供电效率到达99.99%。3.2 微软的12V BBU集中式市电直供方案下列图是微软的12V电池BBU集中式市电直供方案，微软在2010年推出该

13、ITPAC的机柜效劳器供电方案，从概念图上看机柜采用集中电源供电，并在12V母排集中挂锂电池备份方案。分为上半区和下半区单独供电，单机柜到达18.6KW功率给96台效劳器供电。选用的4.5KW效劳器电源也是高效率的电源模块，通过12V集中母排给效劳器子机单元供电。市电正常时候直接给设备供电，市电中断情况下，靠锂电池短时间放电过渡，直至柴发起来承当全部负载。3.3 随着功率增加，12V将不再适合于数据中心从前面的两个案例可以看出，不管是google的12V带电池分布式小UPS供电方案，还是微软的12V锂电池BBU半集中式供电方案，都实现了市电直供近100%的供电效率。但12V电池要么直接挂在IT

14、设备内，要么就安装在效劳器机柜内，主要的目的都是为了尽量减少12V低压供电的传输损耗。谷歌12V分布式供电虽然12V传输损耗较小，但电源和电池数量大/本钱高/电源负载率低效率会偏低;而微软的12V集中式供电的电源和电池数量少/本钱稍低/负载率高电源效率高，但12V传输损耗大，都存在一定缺乏。随着业界IT机柜功率的不断增加，以及对能效的更高要求，12V低压传输损耗及本钱会成为严重限制。举个简单例子，对于12KW的机柜，如果采用12V集中单母线供电，则供电电流可以高达1000安培，假设电源框和母线等的接触电阻为1毫欧，光接触电阻的损耗也会高达1KW，还没算铜排上的大电流传输损耗及电源插框的电源转换

15、效率损耗，总计高达3、4千瓦。而采用较高电压的48V供电方案，则可以大大降低传输及接触电阻损耗，且48V电源的效率也比12V电源的效率高2%以上，如下列图的两者损耗分析比照。采用12V集中供电方案，机柜的总功率不宜超过6-8KW，如果超过10KW以上，传输及接触电阻损耗就会很大。而采用48V供电方案则没有这个问题，整机柜的总功率可以高达30KW以上，传输及接触损耗都可以控制较小。当然采用类似前面微软的做法，将总功率分散在两个甚至更多的电源插框中可以减少母线电流，但仍会带来更多电源插框占用珍贵机柜空间，以及更多电源和电池带来更大投资本钱等问题。最后，对于12V低压市电直供，还存在电源及电池BBU

16、设计挑战很大的问题，毕竟通常5%的电压波动允许，以及至少几分钟电池掉电备份时间要求等，对于电源及电池的设计和选择都是很大挑战，总体而言，目前业界采用12V直挂电池市电直供方案的用户较少，且在未来会逐步往48V市电直供技术方向上开展。四、面向未来的48V市电直供架构如上图，从电网侧到CPU的整个供电路径上，采用传统12V供电方式带来的供电损耗会比采用48V供电方式的损耗高出很多，特别在未来高功率密度应用场合12V已经不再适宜采用了。48V市电直供方案在通讯行业已经非常成熟，只是传统的48V供电方案是集中式电源系统，而未来开展的48V市电直供方案是分布式电源和IT融合的方案，电源和电池就近放在IT

17、机柜边上，甚至放到IT机柜内部，大大减少供电传输损耗及线缆投资等。且允许48V电池电压有个很宽的波动*围，电池备电时间也可以得到较大提高。目前48V电源最高效率也高达97%以上，本钱也比12V电源要低较多，是个低本钱高效率解决方案，带来的问题是局部IT设备需要定制。但目前在数据中心行业，很多IT设备及根底设施都已经实现了48V供电架构，推动起来难度比采用380V高压直流要小很多，目前业界已经有较多互联网等公司已采用48V供电架构了。1、facebook的48V半集中供电及下一代架构从Facebook的公开资料上看采用了分布式效劳器电源加分布式48V电池的方案，每台效劳器配一个277Vac和48

18、Vdc双输入、单输出为12.5V的定制电源。其中277Vac接口直接接到市电交流PDU上，而48Vdc接口连接到48V直流PDU。市电正常的时候市电直供，48V电池作为后备，当市电异常或者中断情况下，48V电池瞬间放电短时备份，直至柴发起来承当负载。在实际的物理布局上，由于分布式48V备份电源不能长距离传输供电，因此电池就近摆放在IT机柜边上，每个电池柜覆盖6个IT机柜。如前面所述，市电正常情况下市电承当了全部负载，所以48V电源只作为充电器使用，保证对备份电池的充电即可，因此48V电源只是个小充电插框，直接放置在电池柜顶部即可，如下列图所示。Facebook的这个市电直供48V备份方案由于采

19、用的是铅酸电池作为后备，考虑铅酸电池的功率密度低、对温度敏感且存在漏夜等风险，因此把电池放在了IT机柜之外但靠近IT机柜安装。其每个市电+48V双输入效劳器电源内部实际还是两个电源并联在一起，数量多，定制本钱高等，投资造价还是很大，所以在后续的整机柜版本中facebook改用了电源更少的集中电源插框方式供电。且随着电池技术的开展，比方更高密度、放电能力及高温特性更好的锂电池等价格下来，则电源及电池会更为分布，直接从IT机柜外转移到IT机柜内部，如open rack的V2.0版本。如前面的12V供电分析，facebook的这个V2版本虽然电源适当集中，且电池和电源就近匹配安装，但单机柜内仍采用了

20、三个电源插框，以及多根供电母线排等，并没有解决电源数量多，12V低压传输损耗大等问题。而48V供电架构，可以只用一个电源插框及一根母线排搞定，且48V锂电池包较为成熟且容易设计，因此这个V2应该只是个过渡版本，未来一定会向48V供电架构切换(数据中心根底设施可以根本保存不变，只是将电池柜替换成整机柜即可完成升级)。上图市电转48V再直接降压到1.2V的供电架构，如前述，具有极高供电效率，且很低传输损耗，技术成熟度最高，且可选的供给商非常多，因此已经是未来数据中心的供电架构方向。据不可靠资料，目前业界的google、amazon和思科等公司已经在采用此方案。当然这个架构的缺乏之处在于需要修改传统

21、效劳器主板上的12V输入供电，改用48V输入供电，但技术难度很小，比方很多刀片效劳器、网络板卡等都是48V输入供电。且对于效劳器白牌化、深度定制的今天，对于前述互联网巨头而言，定制48V输入供电的效劳器已经完全不是问题了。2、考虑数据中心的整体需求，包括交换机、网络设备、行间空调等供电的归一化随着数据中心技术的开展，未来的IT和根底设施会更为融合在一起，就像今天我们今天看到的机柜级效劳器集成了电源和风扇，效劳器会板卡化，支撑的电源和散热组建也会适当集中。再往上一级，比方微模块级，一定是分布式供电和散热组建更为靠近IT负载，分期投资并弹性配置，实现就近供电和高效散热，这种情况下散热系统的供电跟着

22、分布式电源一起走。刚好目前主流的末端空调EC风机等很大局部也是48V供电，分布式电池还可对散热系统做持续供电保障。数据中心内部的交换机、防火墙等网络设备根本都是可以选配可支持48V供电的电源，比方facebook数据中心的网络设备根本也是采用48V直供供电，因此网络设备和其他弱电、监控、照明等可以很容易选择适当的48V电源以支持数据中心内的其他局部供电，最终实现IT和根底支撑48V供电的归一化。3、和铁锂电池、燃料电池、太阳能、风能等等结合在一起的直流微网架构我们前面提到数据中心供电技术很大程度取决于电池技术的进步和开展，传统的铅酸电池由于功率密度以及平安性等原因不适合直接和IT设备放在一起，但锂电池则由于其高功率密度以及高温特性好等，未来很有可能会以BBU等形态和IT设备就近摆放，甚至会放在IT设备内部。当电网正常或者新能源供电满足负载需求的时候，直接给设备供电，电池作为储能单元充电备份。当供电出现波动或者中断情况下，则电池放电承当起负载，其大电流放电能力非常适合此应用。除了铁锂电池等会集成到IT机柜内之外，未来燃料电池也可能给IT机柜供电。据微软公开的一份白皮书显示，微软正在研究使用基于沼气的燃料电池来提升设备能效，同时，还能到