2020年新冠疫情暴發以來,遠程辦公、在線教育、生鮮電商、無人配送等大量新商業模式得到了飛速發展,而這些業務模式背後顯然帶來了更大量的數據產生和流動 -- 大數據中心作為新基建七大領域之一的重要性進一步提升。

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然而,目前全球40%的數據中心集中在美國,這幾乎是中國的五倍。很顯然,中國互聯網用户的數量是遠高於美國的,這意味着中國有着潛力巨大的大數據中心市場以及發展前景。但是,大數據中心建設是典型的重資產項目,建設週期和投資回報週期非常漫長,具有一條很長的產業鏈,包括服務器、路由器、交換機、光模塊,還有電源、軟件、網絡、機房等。顯然這是一個門檻相當高的領域。 與龐大的建設成本相比,之後的運營成本更讓運營者頭疼,其中電費佔到了50%以上,具體的比例主要取決於各數據中心的能效水平。

高能耗問題成為數據中心的痛中之痛。 從技術角度上講,隨着數據吞吐量不斷增加、任務也呈現多元化發展,不但需要處理器的性能不斷提升,處理器也因此呈現多樣性,除傳統CPU外,包括FPGA、GPU、Arm等開始廣泛應用,供電系統需要儘可能滿足不同處理器類型。其次需要高帶寬低延遲的信號傳輸,這些要求使得系統設計複雜度更高。 第三個方向則是大型化和集羣化時代的到來,會給產品運維帶來諸多挑戰,要求產品提高可靠性並且IT運維儘量簡化。 因此,德州儀器(TI)區域銷售經理Rui認為,我國數據中心未來發展將突出表現在綠色化、智能化、大型化+集羣化這三大方向。而一直以來,TI在數據中心所涉及的各個應用領域都有着非常大的持續投入, TI也在依託自身的技術支持中國新基建的發展,幫助解決大數據中心所遇到的痛點。

更高能效、更高功率密度的電源轉換

數據中心所消耗的電能幾乎都是由市電交流電轉換而來。交流輸入首先被整流,然後被PFC電路調整到一個預先設定的電壓水平。下游的隔離DC/DC轉換器將高壓直流電壓轉換成服務器需要的低壓直流電壓,之後再進行下一步直流電壓轉換,用於內存、處理器等的核心供電電壓。 實現綠色化中最重要的就是要減少電源轉換過程中所消耗的電能。 在PSU行業,能源之星80PLUS的標準自2007年生效以來,從黃金升級到鉑金以及如今的鈦金,對於電源轉換效率的要求一再提升。然而由於傳統硅MOSFET的性能接近極限,效率提高的速度正在放緩。

業界開始採用無橋圖騰柱PFC拓撲提高PSU的效率。但軟開關無橋圖騰柱的缺點是控制複雜、驅動和零電流檢測電路成本高,而且硅MOSFET的體二極管反向恢復速度較慢,使得圖騰柱PFC不能有效地在連續導通模式工作,而具有良好高頻工作的氮化鎵(GaN)技術可以更好地實現無橋圖騰柱PFC設計。 TI提供LMG3422R030,這是TI GaN的最新一代產品,具有集成驅動、保護和報告功能。這種高集成度支持較低的共源電感和引線電感,非常適合高頻操作,從而降低柵極和開關損耗以提高效率。此外,該器件採用緊湊的SMD封裝,具有低寄生引線效應,這使得器件非常穩定可靠。這些獨特的特性使電源工程師能夠輕鬆滿足服務器PSU的高能效需求,如80PLUS鈦金標準,同時實現更高的功率密度和可靠性。

除了PSU之外,針對FPGA、CPU、GPU等負載的多相供電設計也存在着諸多挑戰,其中相位管理的難度是最大的。電流必須在相位之間均勻平衡,以避免對任一相位產生額外的熱應力,並提供最佳的紋波消除。同時,必須在瞬態期間快速添加或移除相位,以最大程度減少輸出電壓偏移,這就需要更復雜的控制器。

另外,額外的相位也會增加BOM成本和PCB面積。 多相供電功能主要包括了功率級與控制器,TI通過提供優化適配的智能功率級與高性能控制器共同解決多相供電設計的難點。 首先,針對高集成度的智能功率級(Smart Power Stage)產品,將電流檢測功能、驅動器和MOSFET進行了統一封裝,從而提供更高的電流檢測精度,消除無源元件等。例如TI的同步降壓NexFET™功率級CSD95485,支持英特爾VR12.x和VR13.x的台式機和服務器,針對高功率、高密度同步降壓轉換器中的使用進行了高度優化。集成了驅動器集成電路和功率MOSFET,來完善功率級開關功能。此外,還集成了温度感測功能以簡化系統設計並提高準確度。

而對於控制器來説,TPS53688是與之配合的,兼容 VR13.HC SVID 的雙通道無驅動器多相(最多8相)同步降壓控制器。具有高級控制特性(例如具有重疊脈衝的D-CAP+™架構)支持下衝衰減 (USR) 和過沖衰減 (OSR),可提供快速瞬態響應、最低輸出電容和高效率。該器件還支持在CCM 和 DCM 運行情況下進行單相運行,從而提高輕負載情況下的效率。 當TI控制器與NexFET功率級配合使用時,該總體解決方案可提供超高速度和低開關損耗。由於多相電源產品採用了數字方案,支持PMBUS,可以通過GUI圖形界面進行修改與調整,相比模擬方案設計和調試更加靈活。

簡化數據傳輸設計

PCIe是目前用途最廣泛的數據交換總線,由於PCIe擔負着數據交換的重要作用,因此其標準升級也是最快更迭的。然而,PCIe的高速信號在通過長的PCB走線或線纜進行傳輸時,面臨着保持信號完整性的重大挑戰,客户一方面需要選擇低損耗的材料,另外則需要信號調節元件以改善傳輸路徑,在 PCle 4.0中,信號調節功能首次被直接寫入到基本 PCle 規格中。 TI提供了Redriver和Retimer兩類產品,並且具有Pin to Pin兼容的特點,可根據用户具體應用需求而靈活選擇。 DS160PR810是一款高性能八通道PCIe 4.0 Redriver,支持16 Gbps的標準PCIe數據速率。它用於擴展高速 PCIe 串行鏈路的範圍和穩健性。具有可編程性,能夠實現最大限度的靈活性並提高通道的總體性能。

簡化運維

數據中心必須維持關鍵操作和數據傳輸,隨着數據中心的功率越來越大,對系統可靠性的挑戰也越來越大,因此備用電源是必需的。電源多路複用電路可以在主電源軌和備用電源軌之間做出自動選擇或切換。TI的負載開關和eFuse產品組合為用户提供了靈活的電源多路複用解決方案。TI的eFuse產品系列符合UL 2367和IEC 62368-1安全認證,最大支持電流可高達70A。

而相對於離散的保險絲和PTC不同,eFuse具有更準確的電流限制,響應速度更快,並且可以在沒有用户干預的情況下恢復,因此非常適合數據中心的遠程維護需求。可廣泛應用於電源軌、硬盤、風扇和PCIe外設等保護,從而大大提升了系統的可靠性。 TPS25982是具有精確負載電流監測和可調節瞬態故障管理功能的 2.7V 至 24V、2.7mΩ、15A eFuse。可以通過區分瞬態事件和實際故障來智能地管理過流響應,從而允許系統在線路和負載瞬變期間不間斷運行,而不會影響故障保護的穩健性。該器件可配置為在故障關閉後保持閉鎖或自動重試,這使遠程系統能夠自動從臨時故障中恢復,同時確保電源不會因持續的故障而無限期地承受應力。

除了痛點,還有什麼?

為了更好地支持中國新基建大數據中心的發展,TI正在儘可能為服務器系統提供更為全面的解決方案,除了上述幾項產品之外,包括TI第二代GaN器件、單向負載電源、中低速I2C擴展、温度傳感器、電流傳感器等,方便客户一站式選擇,簡化用户設計、採購、備貨等方方面面。 同時,TI在中國有北京,上海,深圳三個研發中心,TI和國內主流的OEM服務器商都有合作,同時也與國內外主流的ASIC供應商合作,開發適合的供電系統參考設計。

移動互聯網時代帶來數據的激增。都説數據是數字時代的石油,那麼大數據中心就相當於煉油設備,從中挖掘出更多服務信息技術以及數字社會的價值。 如今TI已深耕中國35年,在數據洪流到來之時,TI始終如一通過提供齊全的模擬和嵌入式產品、強大的本地製造研發能力、遍佈全國的產品分銷及銷售網絡,幫助中國數字新生代的開拓者們解決難題與挑戰。

於德州儀器(TI)

德州儀器 (TI) (納斯達克股票代碼:TXN) 是一家全球化的半導體公司,致力於設計、製造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片,用於工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力於通過半導體技術讓電子產品更經濟實用,創造一個更美好的世界。如今,每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上,使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠,從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用,這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。

 

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