毫無疑問，超級計算機架構(gòu)師在構(gòu)建更強大的機器時首先考慮的是他們的新機器將集成的處理器和處理器內(nèi)核的性質(zhì)和數(shù)量。當然，支持超級計算機性能飛躍所需的創(chuàng)新較少。旨在提供不斷提高的效率和功率密度的電源對于支持超級計算和高性能計算 （HPC） 的進步至關重要。

機架功率密度穩(wěn)步提高

越來越多的公司依靠超級計算和 HPC 來處理不斷增長的數(shù)據(jù)池。這些公司越來越多地使用人工智能 （AI） 和機器學習 （ML） 來提取可用于競爭優(yōu)勢的見解。對更多處理能力的需求是永不滿足的。滿足這種需求幾乎總是基于增加處理器和處理內(nèi)核的數(shù)量。超級計算機已經(jīng)消耗了大量的電力，而且它們已經(jīng)消耗了大量的熱量。當然，添加處理器會增加功耗和散熱量。

圖1.隨時間變化的平均機架功率密度

根據(jù) Uptime Institute 2020 年的一項調(diào)查，服務器機架的平均功率密度在過去 3 年中增加了 5.10 倍，達到每個機架 8.4 kW（見圖 1），現(xiàn)在 10% 的應用超過每個機架 30 kW（2020 Uptime.com）。功率密度的提高不僅需要高效的電源來減少熱量輸出，而且通常需要針對特定應用的定制來優(yōu)化性能并提高可靠性。

改進的標準產(chǎn)品縮短了開發(fā)時間

合適的電源不一定是完全定制的設計。定制設計需要時間和金錢來開發(fā)和實現(xiàn)頂級效率和性能并不容易。通常，應對這一挑戰(zhàn)的更有效解決方案是修改性能已得到證明的現(xiàn)有標準產(chǎn)品。像Bel Power Solutions這樣的內(nèi)部公司可以提供修改后的標準產(chǎn)品的快速工程樣品，以滿足特定的應用要求。

下面的討論涵蓋了Bel的內(nèi)部修改解決方案，包括機架式前端鈦金和鉑級電源，具有定制的機械功能，電氣性能和固件/ PROM編程。

效率在高性能應用中至關重要

隨著機架功率密度的增加，電源效率的重要性也隨之增加。當系統(tǒng)通電并使用電力時，PSU 將交流（交流）電源轉(zhuǎn)換為直流（直流）電源。但是，問題是在此過程中電源會消耗功率。這就是效率等級的用武之地。效率是提供給負載的輸出功率與提供給PSU的輸入功率之比（公式1），這兩個值之間的差值是PSU內(nèi)部作為熱量耗散的功率量（公式2）。

等式 1.

效率 [%] =輸出功率 [W]輸入功率 [W]x 100

等式 2.

功耗 [W] = 輸入功率 [W] - 輸出功率 [W]

內(nèi)部電路設計和組件決定了 PSU 將耗散多少功率。較低的效率表示 PSU 內(nèi)部消耗的功率更多，因此產(chǎn)生更多的熱量。必須從系統(tǒng)中去除這種熱量，這通常會增加系統(tǒng)設計的成本和空間。

Bel Power Solutions 的前端電源提供行業(yè)領先的效率和功率密度。標準產(chǎn)品均旨在滿足 80-PLUS 計劃定義的鈦 （TET） 或鉑金 （PFE） 級效率。這為設計人員提供了廣泛的高效選項，可用作定制解決方案的基本模型。

80 PLUS 認證計劃

為了全面了解電源的效率性能，需要多個數(shù)據(jù)點。電源不會在 100% 負載下運行其整個使用壽命;實際上，更典型的做法是朝額定功率的中端或低端運行。因此，測量幾種不同功率水平下的效率非常重要。

自愿性的 80 PLUS 認證計劃將負載考慮在內(nèi)，并根據(jù)電源在多個指定負載條件下的效率對電源進行分類。在 2004 年首次開發(fā)時，該程序只有一層，在 80 Vac 輸入下，在 20%、50% 和 100% 負載下需要至少 115% 的效率。從那時起，增加了更多的層次，并由熟悉的元素金屬識別（見表1）。除了效率級別之外，還有一些產(chǎn)品類別對每個級別都有自己的特定限制，包括工業(yè)電源、內(nèi)部冗余電源和采用 380 Vdc 輸入運行的電源。

表 1.80 多個級別和 230V 交流內(nèi)部冗余電源的要求

在評級的高端是80 Plus白金和鈦評級。超級計算機或高性能計算應用程序可能至少需要白金級 PSU。在所有測試負載條件下，鉑金電源將最低效率提高到90%或更高，并將所需的功率因數(shù)從0.9提高到0.95。鈦合金不僅提高了20%和50%負載下的效率限制，而且還增加了10%的負載要求，并將電源必須保持0.95功率因數(shù)的負載降低到20%，從而進一步突破了極限。

鈦效率在大規(guī)模操作中比鉑金節(jié)省大量成本

隨著超級計算機、數(shù)據(jù)中心和 HPC 應用程序所需的功率增加，頂級鈦金效率的優(yōu)勢也在增加。鉑金和鈦金等級之間的 1-2% 差異可能看起來并不大，但對于前端 PSU 功率的許多應用來說，每一個百分點都很重要。

例如，在 2% 負載下運行的 50 kW 應用，鉑金的功耗為 63.8 W，鈦的功耗為 41.6 W。22.2 W 的差異表示從鉑級電源切換到鈦金屬電源時的功耗降低了 35%。對于容納數(shù)百或數(shù)千個機架的數(shù)據(jù)中心，節(jié)省的成本可以迅速增加。表 2 提供了從鉑級電源切換到鈦級電源可以實現(xiàn)的成本節(jié)約示例。這促使Bel將其行業(yè)領先的專業(yè)知識集中在鈦級前端電源的開發(fā)上。

表 2.鉑金和鈦金屬效率水平之間的成本差異示例

BEL 支持對標準產(chǎn)品進行廣泛的修改

Bel 前端采用市場上最廣泛的前端電源，采用最新的集成電路 （IC），可提供行業(yè)領先的效率和功率密度。但是，實現(xiàn)最高效率并不是領先應用的唯一要求。這些應用程序往往具有獨特的和特定于應用程序的要求，這些要求是現(xiàn)成的，并且通常會導致需要自定義。

圖3.TET1500 框圖

為了使這些頂級電源可供具有特殊要求的應用使用，Bel 的工程師利用其廣泛的行業(yè)領先設計產(chǎn)品組合以及內(nèi)部原型輸入功能，開發(fā)了一種修改現(xiàn)有設計以滿足特定客戶需求的有效流程。Bel 的專家團隊可以修改其眾多標準產(chǎn)品中的任何一種，以快速生產(chǎn)用于測試和鑒定的工程樣品。這些功能縮短了開發(fā)時間，并降低了開發(fā)完全定制設計所涉及的風險。

機械修改

許多常見的修改與電氣性能無關。這些修改可以像更改顏色一樣簡單，以匹配品牌標準或機架中的其他設備。修改還可以包括增加前邊框或調(diào)整機械尺寸或形狀以適應獨特的外形。

修改設備外觀很容易實現(xiàn)，因此最終用戶可以混合搭配機架中的其他產(chǎn)品。Bel 還可容納客戶特定的輸入和輸出連接器、機械鍵控、特定零件編號和特定包裝。作為一種選擇，Bel 將滿足機械師特定尺寸的獨特應用。

高背壓應用

改裝也可以用于高背壓應用。在實際系統(tǒng)中運行時，PSU 用戶可能會影響 PSU 冷卻。當系統(tǒng)風扇與 PSU 冷卻、高阻力進氣或排氣競爭時，會發(fā)生這種情況。這減少了通過PSU的凈氣流，從而產(chǎn)生了昂貴的“背壓”問題。在設計之初，必須了解電源、風量要求，以及這可能如何影響最終應用操作。

電氣性能修改

對標準模型的其他潛在修改包括對電氣規(guī)格的更改，例如輸出電壓設定點、輸出電流限制、保持時間和峰值功率。對于在控制較少的環(huán)境中運行的應用，工作溫度也可以延長。

使用現(xiàn)成的電源可能很難實現(xiàn)峰值性能。Bel前端的高級數(shù)字控制使他們能夠調(diào)整關鍵規(guī)格，以針對特定應用進行優(yōu)化。輸出電壓的選擇等項目取決于許多因素，并會顯著影響系統(tǒng)性能。現(xiàn)成的電源通常僅限于幾個分立電壓選項。為了避免設置次優(yōu)電壓，Bel 的工程師可以快速修改現(xiàn)有標準產(chǎn)品的設定點電壓，以幫助實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。

在更高級的應用中，定制輸出電壓可能不足以實現(xiàn)所需的性能。對于這些應用，可以通過在制造過程中測量和調(diào)整單個單元的電壓來進一步優(yōu)化輸出電壓。這允許在特定負載條件下精確設置輸出電壓。例如，在半負載時將輸出電壓設置為12V +/- 0.05V，而不是正常的設定點精度12V +/- 0.12V。

在某些情況下，經(jīng)過修改的電源可以避免由于峰值功率需求過高而使用過大的電源，從而幫助節(jié)省空間。許多應用具有很少發(fā)生的高峰值負載。某些電源的規(guī)格允許輸出功率的短時間明顯高于額定功率。通常，這些峰值功率事件的周期和占空比有明確的限制，Bel可以根據(jù)終端系統(tǒng)的需求進行定制。如果沒有此功能，則需要更大的電源，該電源額定在峰值負載下連續(xù)運行。

圖5.功率提升特性示例

其他修改有助于確保可靠運行。可以調(diào)整過流保護等保護功能以滿足特定的應用要求，并確保電源在故障期間受到保護，并且對于給定的應用不會過早或過晚跳閘。

如果確實發(fā)生故障，并且輸入功率丟失，對于許多應用來說，在系統(tǒng)切換到備用電源時，輸出保持一定時間的穩(wěn)壓非常重要。這段時間稱為保持時間，也可用于備份關鍵數(shù)據(jù)。可能需要修改保持時間，以保證在故障期間基于特定系統(tǒng)響應時間的持續(xù)運行。

圖6.保持時間波形示例

固件/舞會修改

除了在固件中存儲設備設置外，這些電源還包含可編程只讀存儲器 （PROM）。PROM 可用于存儲客戶和/或應用程序特定信息，以便在操作期間訪問。這些和其他修改選項可以快速應用于Bel現(xiàn)有的和經(jīng)過驗證的設計的廣泛列表，而無需花費時間或風險進行全新的定制設計。

BEL 支持對標準產(chǎn)品進行廣泛的修改

Bel Power Solutions 為不同的應用提供全面的產(chǎn)品組合，例如存儲、網(wǎng)絡、工業(yè)和電信行業(yè)，以及服務器的板安裝電源到系統(tǒng)級架構(gòu)。為了滿足這些應用要求，Bel Power解決方案提供了修改機械、電氣性能和固件/PROM的能力。

審核編輯：郭婷