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通過改進(jìn)連接器設(shè)計(jì)迎接電源管理上的挑戰(zhàn)

日期： 2019-07-11

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當(dāng)今，全球每分鐘的網(wǎng)絡(luò)交易量近9000萬筆，也就是每秒鐘交易150萬次。全部的電子郵件、應(yīng)用下載、流視頻、社交媒體交互、零售購買等等，都是通過一個(gè)全球性的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。在交換機(jī)、路由器及冷卻設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的支持下，這些數(shù)據(jù)中心可以容納多達(dá)1萬臺的服務(wù)器–而這一切都要依靠越來越多的電力才能良好運(yùn)行。

通過改進(jìn)連接器設(shè)計(jì)迎接電源管理上的挑戰(zhàn)

　　一、電力的轉(zhuǎn)換和分配

數(shù)據(jù)中心采用一種稱為“電源單位效率”的方法來評估電源架構(gòu)的效率，也稱為PUE。PUE是將輸送到數(shù)據(jù)中心的總功率除以輸送到關(guān)鍵負(fù)載（服務(wù)器）的功率，而理想的PUE值為 1。舉例來說，1.7的PUE意味著，每向負(fù)載輸送一瓦的功率，在配電和冷卻上就要損失掉0.7瓦。據(jù)報(bào)道，2018年對數(shù)據(jù)中心測得的PUE水平在1.6左右。最重要的轉(zhuǎn)換過程之一就發(fā)生在機(jī)架上。為了達(dá)到所需的計(jì)算能力，會(huì)需要數(shù)千臺的服務(wù)器。除了服務(wù)器以外，還通過交換機(jī)來管理服務(wù)器之間、以及從服務(wù)器到外界的通信。在大量的電力所輸送到的機(jī)架上，容納著30到35臺的1U服務(wù)器，這些服務(wù)器正在逐步通過3千瓦的供電機(jī)組(PSU)來供電。PSU通常位于機(jī)架的底部，可以將電力轉(zhuǎn)換成電壓水平各不相同的電源軌。以208伏直流電壓進(jìn)入到 PSU 的電力將轉(zhuǎn)換為 3.3、5和12伏的電源軌，從而滿足服務(wù)器和交換機(jī)內(nèi)部各種不同組件的需求，例如含處理器的母板、適配器卡和顯卡、PCIe 和內(nèi)存等等。此外，機(jī)架中還會(huì)有提供冷卻氣流所需的大量風(fēng)扇。輸送到服務(wù)器的很大一部分電力都會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量。在電力從交流轉(zhuǎn)換成直流、以及從直流轉(zhuǎn)換成直流的過程中，作為轉(zhuǎn)換過程中一個(gè)自然而然的組成部分，就會(huì)發(fā)生這種熱損失。

　　二、空間上的挑戰(zhàn)

　對這種與日俱增的功率進(jìn)行管理，在涉及到封裝空間和熱管理時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生巨大的挑戰(zhàn)。盡管對電源的需求一直在穩(wěn)步提升，為電源以及背部的重要連接器分配的空間卻并沒有發(fā)生過變化?；氐椒?wù)器部署的早期時(shí)候，服務(wù)器系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施(SSI)要求使用400到600瓦的電源，而電源I/O則會(huì)使用四到六臺葉片式電源，其中每個(gè)葉片的額定電流為30安，從而將所需的功率輸送到服務(wù)器。時(shí)至今日，對于連接器企業(yè)的要求則是電源I/O在相同空間內(nèi)承載的電流能夠達(dá)到以前的三倍。

　　三、提高密度

　連接器的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在不得不去考慮各種具有創(chuàng)造性的解決方案，從而對熱量和電流進(jìn)行管理。盡管在連接器的額定值計(jì)算中不能將氣流考慮在內(nèi)，目前在外殼中經(jīng)常會(huì)設(shè)計(jì)通風(fēng)功能，以便耗散掉熱量并防止過熱。基礎(chǔ)的物理學(xué)知識告訴我們，為了承載更多的電流，需要的只不過是更多的銅材料。在銅合金領(lǐng)域取得的進(jìn)步使得可以提高導(dǎo)電性，而這些進(jìn)步并不會(huì)跟得上對更高電流密度的需求。同樣，觸點(diǎn)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)可以改善PSU 接口和連接點(diǎn)之間經(jīng)常發(fā)生的功率損耗的情況，這種連接點(diǎn)可能是互連系統(tǒng)的插入部分，有時(shí)候也會(huì)是印刷電路板的卡邊緣，但是并不能依靠這些改進(jìn)成果來顯著的提高電流密度。廣大的客戶目前正要求連接器的設(shè)計(jì)人員來減小電源觸點(diǎn)之間的中線間距；然而，縮小間距會(huì)在印刷電路板的體積上以及連接器本身的內(nèi)部造成相互發(fā)熱的問題。連接器在過去40年來主要圍繞著提高密度而發(fā)展。但是，業(yè)界現(xiàn)在正在走向這樣一個(gè)階段，那就是必須考慮增加空間以提高功率，或者是對用于評估連接器性能和額定值的慣例進(jìn)行檢驗(yàn)。據(jù)認(rèn)為，數(shù)據(jù)中心的電效率每提高1%，就會(huì)節(jié)省數(shù)以百萬美元計(jì)的成本。由于節(jié)省成本的潛力是如此之大，在數(shù)據(jù)中心的業(yè)主、電氣公用事業(yè)的提供商以及政府官員之間，那場積極活躍的討論當(dāng)然還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間。

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