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作者：德州儀器 隨著大型語言模型徹底改變我們訪問數據的方式，人工智能 (AI) 的進步正在顛覆各行各業及社會對數據中心計算資源的運用模式。我們正逐步進入能夠直接向 AI 提問并獲取詳盡答案的時代，這與向真人提問無異，而非僅僅在搜索引擎中輸入特定關鍵詞。當然，這僅是 AI 能力的冰山一角。AI 還能編寫代碼、生成圖像和視頻、完成會議記錄與紀要。為實現所有這些 AI 功能，需要的電力急劇攀升。 要提供如此大的電力并確保 AI 能夠充分發揮其潛力，需要重新構想數據中心的 IT 服務器機架結構，以及獲取與輸送電力的最佳方式。本文將深入探討三個核心議題：數據中心如何獲取電力并輸送至執行計算任務的服務器功能；為何必須改變配電架構才能滿足快速演進的 AI 計算與電力需求；以及如何實現這種變革。 圖 1 展示了 IT 服務器機架級電力需求隨時間的變化趨勢。圖 1 預計，到 2028 年單個 IT 機架將需要 1.5MW 的電力，這是當前服務器機架所消耗電力的 10 倍。 
圖 1. 機架級電力需求 演進簡史 為理解數據中心與服務器內電力輸送網絡所發生的巨大變革，我們有必要先回顧一下當前的架構。圖 2 所示為第一代配電架構，自 20 世紀 90 年代至今，該架構一直在服務器和數據中心領域占據主導地位。圖 2 的左上區域為來自交流電網的三相交流電。此電力通過變壓器從約 13kV 的“中壓”降為 480V 交流線電壓。不間斷電源 (UPS) 為此電壓提供緩沖。 當交流電網斷電時，UPS 利用本地蓄電池和逆變器功能維持數據中心服務器的運行，直至自動轉換開關 (ATS) 或靜態轉換開關 (STS) 啟動備用發電機接管供電。480V 交流線電壓相當于 277VAC 相電壓。 將 277VAC 的三相電力輸送至 IT 服務器機架后，電源單元 (PSU) 將執行功率因數校正 (PFC) 并生成穩定的 12V 輸出，以便分配至服務器 IT 托盤。這種 12V 配電電壓適用于第一代架構，為各種負載、電壓穩壓器和其他負載點穩壓器 (PoL) 供電，產生電壓以為整個服務器托盤中使用的處理器、存儲器和通信集成電路供電。當總機架功率約為 10kW 至 20kW 時，這種架構運行良好。然而，隨著對更高計算能力的需求增加，支撐這些計算功能所需的電力也在增加。
圖 2. 第一代傳統機架服務器 圖 3 展示了數據中心配電架構的下一次演進。從圖 3 的左上區域可見，此架構起始于相同的中壓輸入電源。與第一代架構類似，變壓器將三相 13kV 轉換為 480VAC 線電壓。此架構不再采用 UPS，而是將等效的 277VAC 相電壓直接輸送至 IT 機架內部的本地 PSU。這些 PSU 不再專用于每個服務器托盤，而是整合在統一的電源架中。在此背景下，電源架本質就是一組電源，其輸出共同承擔 IT 設備的負載需求。 N+1 配置中的每個電源架通常包含六個 PSU，以實現冗余。可通過添加電源架來滿足 IT 機架的總電力需求。這些電源架輸出 50VDC 總線電壓，通過沿服務器機架背面鋪設的大電流匯流排分配至各個 IT 托盤。一些第二代裝置保留了 UPS 功能，而其他裝置會將其移除（如圖 3 所示）并替換為本地電池備份單元 (BBU)，使 50VDC 總線維持供電，直至電源恢復或備用發電機接管供電。在某些情況下，電容器架或電容器備用單元 (CBU) 有助于消除與任何電源中斷相關的過大電壓瞬變和電流瞬變。每個 IT 托盤內的 50V 總線連接到本地中間總線轉換器，產生為 IT 托盤中系統負載供電所需的 12V 電壓。
圖 3. 第二代 — 云與 AI 計算 第二代架構使 IT 機架負載能力突破第一代架構限制，實際負載可達 100kW 級別。一旦所需的總功率開始達到 200kW 左右，配電損耗就會顯著增加，導致進一步提升功率變得不切實際。 AI 數據中心電力輸送 負責運行高級 AI 模型的數據中心機架預計在 2028 年前突破 1MW 功率。假設匯流條電壓為 50V，在第二代架構中配送這一功率需要產生 20,000A 的電流。輸送如此大電流所需的匯流條將會很重、成本高昂且不切實際。因此，新型 AI IT 服務器機架采用 800VDC 或 ±400VDC 的更高電壓總線進行配電，可以將匯流排的大電流要求從 20kA 降低到 1.25kA。這種量級的電流降低將有助于保持較高的整體電力輸送效率，并支持使用體積更小、密度更低的銅匯流排。圖 4 展示了這一架構。 第二代架構的電源架被側裝式電源艙取代，側裝式電源艙將三相 480VAC 電網電壓作為其輸入。側裝式電源艙將此輸入轉換為 800VDC 或 ±400VDC 總線電壓并配送到一個或多個 IT 服務器機架。側裝式電源艙現在還包括 BBU。除了提高配電效率，第三代架構還在 IT 機架中為計算功能提供了更多空間。 從某種意義上講，提升 IT 服務器機架的計算密度比解決配電問題更為關鍵。為了讓 AI 發揮最佳功能，基于 AI 的 IT 機架會使用數百個處理器來快速處理所需的計算量。這些處理器需要能夠在高密度的封裝空間中相互通信。從 IT 機架中移除大部分電源轉換功能后，可以在更小的空間內安裝更多的處理器。現在，機架中的每個 IT 托盤都以此 800VDC 或 ±400VDC 總線電壓作為輸入。然后，托盤中的中間總線轉換器將該電壓轉換為 IT 托盤上的配電電壓。根據所選架構，配電電壓可以是 48V、12V 甚至 6V。
圖 4. 第三代 — AI 計算直流配電側裝式電源艙 未來將如何發展？ 盡管第三代架構可以提升配電效率并顯著增加 IT 機架內的計算密度，但這樣做的代價是會占用數據中心 IT 機房的更多空間。因此，數據中心演進的下一步是將側裝式電源艙的 AC/DC 電源轉換功能從 IT 機房遷移至配電室。 圖 5 展示了第四代架構的規劃方案。在此架構中，側裝式電源艙保留 BBU 功能，而 AC/DC 轉換功能則移入固態變壓器 (SST)。第一、二、三代架構的輸入電壓均為電網提供的 13kV 中壓。該電壓被變壓為三相 480VAC 配電總線電壓，然后轉換為直流配電總線電壓。SST 同時取代了 13kV 變壓器和 480VDC 至 800VDC 或 ±400VDC 電源轉換環節。SST 在單個電力轉換階段實現 PFC 功能、電壓降壓和直流轉換。備用發電機現在需要連接至中壓節點，或通過 AC/DC 轉換器接入 SST 輸出端。最終實現了更高效的配電網絡，并為 IT 機房騰出更多計算空間。
圖 5 . 第四代 — AI 計算 SST 與直流配電 實現愿景的技術支撐 每一代配電架構都需要大量的精密電源轉換功能。這些功能包括 PFC、800VDC 或 ±400VDC DC/DC 轉換、二極管 ORing、均流、熱插拔、保護、控制及功率計量。先進半導體技術是確保各項功能實現極致性能與效率的關鍵。例如： • 執行 PFC 并生成直流總線電壓需要實時微控制器。 • 實現電感器-電感器-電容器 (LLC) 和 PFC 等拓撲需要高效的寬帶隙半導體開關。 • 支持功率計量、控制與保護需要精確的電流和電壓檢測。 • 為系統內各種隔離式開關供電需要小尺寸、高效的偏置電源和柵極驅動器。 結語 AI 正在改變我們與信息和數據的交互方式。為了滿足電力轉換需求，數據中心亟需新型配電架構。本系列的后續文章將深入解析 PSU，探討儲能，分析中間總線轉換器與電壓穩壓器的發展趨勢，以及闡釋支撐這些功能的主要技術和半導體解決方案。 |
