48V电源架构风潮起，引爆伺服器电源晶片市场新一波大战

48V电源架构可有效降低能源损耗及占地空间，因而成为资料中心电源设计的趋势。在Google宣布加入由Facebook主导的开放运算计画(OCP)，并力推48V电源架构后，美信(Maxim)、意法半导体(ST)更旋即进军该市场，引爆伺服器电源晶片市场新一波大战。 近年来随着物联网快速发展，掀起新一波云端资料中心建置热潮，并带动伺服器需求。为提升资料中心能源使用效率，许多电源晶片商已纷纷提出新式解决方案。其中，48V能源架构可大幅降低电力损失及节省成本，因而备受关注，促使相关业者纷纷抢进布局。 电源晶片商助攻 48V配电架构发展增温 资料中心加速迈向48伏特(V)配电架构。Google近日宣布加入由Facebook主导的开放运算计画(OCP)并力推48V配电架构，期大幅降低资料中心电力损失、占用空间及冷却设备成本；而包括意法半导体(ST)、美信(Maxim)及Vicor等晶片商也随即发布支援此架构的电源晶片，以协助打造更节能和更高功率密度的伺服器设备。 Google技术专案经理John Zipfel表示，OCP开放运算社群是使用者和制造商的完整集合，该公司加入OCP后，会透过将包括48V电力配送和新尺寸的新机架规格贡献给OCP，来推动资讯科技(IT)基础设备的标准化。 Zipfel透露，随着伺服器运算设备的中央处理器(CPU)和绘图处理器(GPU)效能愈来愈强，其所耗费的电力也与日俱增，因此Google自2009年开始评估传统12V电力设计的替代方案，期达到更好的资料中心系统效率和效能。2010年，Google正式着手进行48V机架电力配送开发，因为该公司发现此一方案可节省至少30%的能源效率，且更具成本效益。 Zipfel指出，Google的48V架构至今已大幅演进，并涵盖48V伺服器至负载点(Point-of-load, POL)设计，以及机架层级48V锂电子不断电系统(UPS)。过去几年Google已大规模设计并使用48V基础设备，对其强固性与可靠性表现甚感满意。 现今产业界正戮力解决耗电问题，并应付更高功耗的工作负担，例如以GPU执行机器学习，而藉由与OCP共同合作将48V配电设计标准化是相当正确的方向。Google相信，这将帮助每家采用这个新世代电源架构的业者，使其达到与Google一样的功率效率和成本效益。 抢占48V资料中心商机 电源晶片商攻势齐发 看好48V资料中心配电架构的发展前景，电源晶片商如Vicor、意法半导体及美信(Maxim)等也相继投入支援新架构的解决方案，其中又以Vicor的布局较早。 凭藉过往在功率转换引擎、控制系统和模组化电源技术方面的技术耕耘，Vicor近期宣布推出新一代48V直接至PoL(负载点)电源元件(图1)。这些模组允许从48V配电母线同时为低电压大电流的CPU、GPU、ASIC和DDR记忆体供电，能够实现较佳的功率密度、转换效率及低系统配电损耗。此一新款48V模组也于2016开放计算计画(Open Compute Project, OCP)高峰会上，被Google选择为资料中心的标准，以推广48V伺服器和配电基础设施。

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图1　Vicor新一代48V直接至PoL(负载点)电源元件被Google选为资料中心推广标准，可实现较佳的功率密度、转换效率及低系统配电损耗。 Vicor新推出的48V直接至PoL模组包括Cool-Power PI3751-02升降压、预稳压器模组(PRM)和VTM48Kp020x电流倍增器模组(VTM)。PRM可接受来自48V分散式母线的输入(Vin高达55V)，并产生受控的“分比式(Factorized)”母线电压供给VTM；VTM输出电压为其输入电压的1/24，而电流为输入电流的24倍，传送给CPU。 同时，新款48V模组在负载端最高可以采用48倍的电流倍增，以实现高效率、高密度和宽频宽，以及独特的分比式电源属性。 另一方面，意法与美信也在Google宣布加入OCP后，旋即发布相关晶片方案，抢搭设计商机。意法半导体推出三款专门用于48V配电架构的新电源转换晶片，并已开始量产出货。新方案采用直接数位电源转换技术，可减少中间转换级，降低资料中心的电力损失。 意法半导体副总裁暨类比事业群总经理Matteo LoPresti表示，48V架构是打造超高效率资料中心的理想选择，可显着降低总体拥有成本。该公司已推出独特的隔离式共振电源转换器解决方案并已全面进入量产，可支援下世代应用，并兼顾电源效率、延展性与设计弹性。 因应快速增长的效能需求，伺服器与处理器已藉由多核心设计来增强其运算能力，这相对也增加耗电量。新一代电源架构目标是大幅减少资料中心伺服器的电力浪费，并符合Google宣布的新48V配电架构需求。 为达此一目标，意法半导体已开发出可从48V直接进行数位电源转换的晶片，可支援所有资料中心电源转换应用。新款晶片系列完全符合英特尔(Intel)VR12.5(Haswell与Broadwell平台)、VR13(Skylake平台)与DDR3/4电压调节规格，以及所有用于资料中心设计的现场可编程闸阵列(FPGA)和特定应用积体电路(ASIC)。 这三款新晶片搭配意法半导体低电压StripFET功率MOSFET系列，可确保系统在输入电压从36至72V而输出电压在0.5与12V下，稳健和高效率运作。这样的设计规格可使12V/500W的电源供应系统，达到97%以上的电源效率，并能以最小的电路板空间达到高系统频宽。 美信则发表48V负载点、单级DC-DC调节器(图2)，可让资料中心的电源使用效率(PUE)向1.00的理想值更近一步。

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图2　Maxim新款48V负载点、单级DC-DC调节器整合电源和磁性元件，使资料中心电源使用效率可望往PUE 1.00理想值更近一步。 据悉，随着云端服务功率等级的不断提升以支援更高性能的处理器和记忆体，资料中心设备的电源传输效率正处于一个转捩点。资料中心运营商迫切希望使PUE接近1.00。PUE等于1.00意味着没有功率损耗，电能将全部被用于处理资料。 然而，目前常见的两级电源转换(48V至12V至负载)架构，其效率最高仅为90%左右。 因此，为使电源使用效率能够更接近PUE 1.00的理想值，美信该款48V可扩展方案采用整合电源和磁性元件，打破了制约效率、密度，以及瞬态性能的壁垒，使得系统更灵活，可扩展架构以满足功率、效率和成本的不同需求；同时，该产品的48V单级POL转换(48V至负载)与12V架构相比，避免了中间级转换损耗，机架电源传输损耗可降低16倍。 缩短产品设计时程　联想/英飞凌携手合作 资料中心建置风潮起，不仅电源晶片商积极布局，连终端商也抢搭此热潮。为提升产品开发速度，并符合未来电源需求，联想(Lenovo)首度跨界与半导体厂商合作，近期宣布与英飞凌(Infineon)共同成立联合实验室，并正式营运，期能藉此倚重英飞凌于伺服器数位电源控制解决方案之先进技术，加快产品开发速度，缩短上市时程，提供予消费者更符合其需求之高效产品。 联想集团数据中心事业群北京设计中心执行董事王化冰表示，此次是联想与英飞凌的首次合作，极具指标性。英飞凌拥有完整的数位电源解决方案，实验室有其技术挹注，可发挥较佳效能，进而缩短该公司新品上市时间，以因应快速变迁的科技产品市场环境。 联想策略性首度与半导体厂商合作建立实验室，其主因是看中英飞凌在直流对直流(DC-DC)数位电源控制解决方案的完整和有效性。该实验室所设立的英飞凌DC-DC数位电源控制解决方案，乃基于英特尔(Intel)的PU电源设计架构下所规划，且系统全面数位化。除了更符合英特尔VR13VR12规格需求外，也满足伺服器、FPGA、ASSP和ASICs的功率要求，并使数位电源的架构更进一步缩短开发验证的时间。同时，英飞凌与联想也在其他电源相关产品，持续寻求共同合作，提供产业界更佳转换效率，更好功能之产品。 此一联合实验室首设于台湾与北京。相对全球其他地区，台湾拥有相对成熟的环境、大量且优质的技术人才和丰富的科技经验等条件，都是双方选择台湾成立高效实验室成立地点的主要因素。 同时，该实验室亦是联想于全球布局中重要的一环。高效实验室的成立只是联想与英飞凌合作的第一步，未来双方将持续扩大合作机会，不限于在硬体设备，将善用彼此的优势与资源，持续拓展与开发其他产品整合的可能性。 综上所述，48V电源架构可大幅降低资料中心电力损失、占用空间及冷却设备成本，因而在众多伺服器电源节能的方法中趁势而起，促使电源晶片商、半导体业者及终端商纷纷抢进此一市场，积极厚实技术和产品阵容，抢占商机。

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