隨著大型語言模型徹底改變我們訪問數(shù)據(jù)的方式，人工智能(AI) 的進步正在顛覆各行各業(yè)及社會對數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)揮其潛力，需要重新構想數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心如何獲取電力并輸送至執(zhí)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(xiàn)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(shù)據(jù)中心與服務器內電力輸送網(wǎng)絡所發(fā)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(shù)據(jù)中心領域占據(jù)主導地位。圖 2 的左上區(qū)域為來自交流電網(wǎng)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(wǎng)斷電時，UPS 利用本地蓄電池和逆變器功能維持數(shù)據(jù)中心服務器的運行，直至自動轉換開關 (ATS) 或靜態(tài)轉換開關 (STS) 啟動備用發(fā)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(zhí)行功率因數(shù)校正 (PFC) 并生成穩(wěn)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(wěn)壓器和其他負載點穩(wěn)壓器 (PoL) 供電，產(chǎn)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(tǒng)機架服務器

圖3 展示了數(shù)據(jù)中心配電架構的下一次演進。從圖 3 的左上區(qū)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(tǒng)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(xiàn)冗余?？赏ㄟ^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(fā)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(chǎn)生為 IT 托盤中系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心電力輸送

負責運行高級AI 模型的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(wǎng)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(xiàn)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(fā)揮最佳功能，基于 AI 的 IT 機架會使用數(shù)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?，F(xiàn)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(jù)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(fā)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(shù)據(jù)中心 IT 機房的更多空間。因此，數(shù)據(jù)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(guī)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(tài)變壓器 (SST)。第一、二、三代架構的輸入電壓均為電網(wǎng)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(huán)節(jié)。SST 在單個電力轉換階段實現(xiàn) PFC 功能、電壓降壓和直流轉換。備用發(fā)電機現(xiàn)在需要連接至中壓節(jié)點，或通過 AC/DC 轉換器接入 SST 輸出端。最終實現(xiàn)了更高效的配電網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)極致性能與效率的關鍵。例如：

? 執(zhí)行 PFC 并生成直流總線電壓需要實時微控制器。

? 實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)的交互方式。為了滿足電力轉換需求，數(shù)據(jù)中心亟需新型配電架構。本系列的后續(xù)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(wěn)壓器的發(fā)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。