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TI 芯科技賦能中國新基建之大數據中心:大數據中心的痛點,竟能如此解決?

2025China.cn   2021年09月30日

  似乎是在印證國家新基建政策的正確性。2020年新冠疫情爆發以來,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,而這些業務模式背后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。

  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,我國互聯網用戶的數量是遠高于美國的,這意味著中國有著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,建設周期和投資回報周期非常漫長,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,之后的運營成本更讓運營者頭疼,其中電費占到了 50% 以上,具體的比例主要取決于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,隨著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,供電系統需要盡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復雜度更高。

  第三個方向則是大型化和集群化時代的到來,會給產品運維帶來諸多挑戰,要求產品提高可靠性并且 IT 運維盡量簡化。

  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+集群化這三大方向。而一直以來,TI 在數據中心所涉及的各個應用領域都有著非常大的持續投入, TI 也在依托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,然后被 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,之后再進行下一步直流電壓轉換,用于內存、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,對于電源轉換效率的要求一再提升。然而由于傳統硅 MOSFET 的性能接近極限,效率提高的速度正在放緩。業界開始采用無橋圖騰柱 PFC 拓撲提高 PSU 的效率。但軟開關無橋圖騰柱的缺點是控制復雜、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,該器件采用緊湊的 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松滿足服務器 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著諸多挑戰,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,并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 的臺式機和服務器,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,還集成了溫度感測功能以簡化系統設計并提高準確度。

  而對于控制器來說,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(例如具有重疊脈沖的 D-CAP+ ?架構)支持下沖衰減(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。由于多相電源產品采用了數字方案,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,由于 PCIe 擔負著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,面臨著保持信號完整性的重大挑戰,客戶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,并且具有 Pin to Pin 兼容的特點,可根據用戶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。它用于擴展高速 PCIe 串行鏈路的范圍和穩健性。具有可編程性,能夠實現最大限度的靈活性并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,隨著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。電源多路復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 產品組合為用戶提供了靈活的電源多路復用解決方案。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。

  而相對于離散的保險絲和 PTC 不同,eFuse 具有更準確的電流限制,響應速度更快,并且可以在沒有用戶干預的情況下恢復,因此非常適合數據中心的遠程維護需求。可廣泛應用于電源軌、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后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,還有什么?

  為了更好地支持中國新基建大數據中心的發展,TI 正在盡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、溫度傳感器、電流傳感器等,方便客戶一站式選擇,簡化用戶設計、采購、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。都說數據是數字時代的石油,那么大數據中心就相當于煉油設備,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、強大的本地制造研發能力、遍布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。

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