“绿色网格”（Green Grid）和“拯救气候”(Climate Savers) 等行业计划中设定了一个雄心勃勃的目标，即到2011年将数据中心能耗减半。为达到此目标，业界必须转而采用数字电源控制和交/直流和直/直流级供电管理。在数据中心基础设施中采取直流总线配电也显示出大好前途。

要 点

　　数据中心耗能占美国总耗电量的1.5%。

　　数据中心运营商愿意为高能效硬件多付资金。

　　尽管前景光明，但单直流电源配电需要对电源基础结构做出大的改动。

　　随着服务器处理能力的提高和工作负荷的不断增大，美国的数据中心能耗不断提高。目前，数据中心（或称服务器机房）所耗电能占美国总耗电量的1.5%，到2011年此数字将可能上升到3%（参考文献1）。 此外，在服务器4年的寿命期内，目前数据中心耗电成本已超过了服务器硬件成本。以前服务器购买人在购买硬件时会精打细算，而现在，只要服务器电源设计更为完善和高效，能降低电费，人们就愿意在硬件方面多花些钱。降低耗电成本的需求以及以更负责的态度使用能源的意愿，使得在数据中心硬件、软件和基础设施级别提高电源效率已成为一个首要问题。而且，由于数据中心是电源最主要的应用领域之一，其需求也会对供电设计商和制造商的计划产生影响。

　　美国政府机构环保署（EPA）通过“能源之星”（Energy Star）等活动鼓励数据中心提高能效。它最近发布了第一版《计算机服务器规格要求》草案（参考文献2）。 “绿色网格”和“拯救气候”等行业组织也正在编写最佳实践指南，积极推行新技术，重点满足在各行业中不断提高能效的要求。

　　一直以来，数据中心行业比较侧重于通过改变设备大小来节能，而不是通过改善电能利用率来节能。随着服务器尺寸变小价格降低，其物理设备价格和维修成本保持不变或是有所增加。因此，在每个设备中塞入尽可能多的服务器是个合理的想法。然而，这样做的副作用是服务器运行发热量增加：服务器处理器每消耗1W功率就需要浪费0.5W功率用于散热，而交/直流和直/直流电源变换和稳压还会再消耗0.5W功率。在能耗成本相对较低时，采用空调解决散热问题是合理的。但是，随着能耗成本剧增，考虑到经济和环保因素，这个做法是不可行的。

　　据德州仪器（Texas Instruments）数据中心负责人，该公司绿色网格代表Tom Darby称，数据中心界对能源效率的关注是最近才开始的。他指出，IT（信息技术）行业贸易情况显示过去人们比较关注服务器处理速度和处理能力的提高。而在去年，贸易情况表明人们的注意力已转向能源效率，这一转变是如此深入，以至于环保署署长最近还为此发表主题演讲。在美国经济的许多领域，“绿色”技术或许仅是一个最好有，无也无大碍的角色。而对于数据中心，提高能效所导致的节约成本已成为一个主导性的驱动力，它对硬件设计，甚至是对数据中心本身的选址都会产生影响。例如， Google决定将其数据中心建在俄勒冈州达拉斯，其中一个主要的理由就是该地附近的电力比较便宜。

　　电源行业讨论转向数字电源的问题已有多年，PWM（脉宽调制）控制回路的数字控制技术尤为如此。经过努力，该技术已进入电源行业，尤其是在向数据中心服务器机架供电的银盒（silver-box）交/直流电源中得到大量应用。对于银盒电源，即使增加价值50美分的部件也足以使其失去竞争力，而数字电源控制器则可能使成本提高几美元之多。此外，针对特定负载经过调整的模拟控制回路的性能可以与数字控制回路一样好。高成本、设计商不熟悉新技术、没有显著的技术优势，由于这些因素，在银盒电源市场数字电源没有得到推广也就不足为奇了。

　　然而，提高能效的需求会对服务器应用中数字电源的使用具有促进作用，这是因为在这样的应用中，电源必须不仅能在单一负载下保持高效率，还需要在一定负载范围内保持高效率。在负载变化范围为20%~100%时，模拟回路无法在此范围内达到高能效。

　　服务器必须能应对大幅变化的负载，这是由数据中心负载的特点决定的。在数据中心，需要采用冗余的电源作为各个服务器机架的备用电源。在正常条件下，两个冗余电源各自承担50%负载工作，随负载和电源状态的不同，负载变化范围为额定负载的100%~10%或者更低。模拟PWM回路电源难以在负载大幅度变化时达到高效率，但数字闭环装置则可以在宽负载范围内根据负载变化自行调整并实现高效工作。

　　仅仅几年以前，能效提高所节省的成本还不足以抵消元件增加的成本，而现在， IC厂商则将产品完善程度的提高视为IC成本升高的理由。例如美国模拟器件公司（Analog Devices）最近推出了第一种数字电源控制器IC，并指出该产品可支持如图1（参考文献3）所示的复杂设计。 该电路可将变换器的效率提高多达1%——足以引起电源设计商的兴趣。Analog Devices公司官员希望，该芯片能够支持新型的2级电源设计的特点会成为它的又一新优势。

　　图1，数字电源控制器（如Analog Devices公司的ADP1043）可以简化在服务器电源设计中加入复杂电路设计的工作。两级直/直流控制器设计中，必须驱动和控制7个FET，但可使电源效率提高1%。该设计从功率因素校正输出稳压电容处得到输入电压，并将电压降到较低的稳压电压。这样，隔离级就可以作为高效开环直/直流变换器使用。

　　数字电源还具有与服务器机架内和机架间的单个电源通信的能力。电源系统管理要求电源内部具有智能，自测发热量、工作时间和负载响应情况。数字电源IC可提供大量电源管理选项，其中包括主机控制系统，如基于PMBus（电源管理总线）的控制器或是Power-One的 Z-One 数字电源管理系统。这些电源通信总线要求设立一个独立的智能主机，它可查询各电源的工作时间、发热量和风扇响应情况，还可以控制电源停止和启动顺序。该种控制器还可以存储电源系统的信息，以在出现故障前就可安排好维修计划。并非所有系统都需要采用如此精巧的设计，例如，某些数字回路电源控制器也可以采用无主机控制方案，仅在控制器间进行通信，这样做对某些系统来说可能已具有足够的控制功能。例如，Zilker Labs的ZL2006和ZL2004控制器就可以不采用主机或通信总线实现芯片间的通信。

　　除了提高电源效率外，数据中心还可通过将硬件服务器上的软件虚拟化来优化系统能源效率。通过虚拟化，一台服务器可以同时支持多个任务。而如果不采取虚拟化技术，则不管作业是否需要服务器的全部处理能力，都为每个作业分配一台服务器。实际上，虚拟化相当于将一台物理服务器划分为多台虚拟机使用，直到该服务器处理能力没有余量为止。随着服务器虚拟化技术的出现，系统主机中不再需要专用的服务器：如果某个主机系统只需要某台硬件服务器的部分处理能力，则可根据该硬件的性能和主机系统的处理能力需求，将剩余的处理能力提供给别的一个或多个独立系统使用。

　　据Intel模块式系统架构师Kevin Bross称， 根据数据中心对近期一项虚拟化问卷调查的答复， 采用虚拟化技术可使运行的服务器数量减少到原来的10%，而由于剩余的服务器负载较重，所以总能耗降低了50%。

　　使用数字电源和虚拟化技术是两个相对比较直接的节能手段，而第三种手段——使用直流配电总线——则需要改变数据中心基础设施的一个基本部件。目前采用的方法需要两次将数据中心供电变换为直流：在这种方法中，当电力进入数据中心给UPS（不中断电源）系统供电时要变换一次，然后再将电源重新变换为交流电，配送给建筑内的各个服务器机架。数据中心电源消耗中约20%是由这种交/直/交变换组合而导致的。

　　Validus DC Systems是首批发布基础设施层直流电压方案的公司之一。Validus system公司的基本结构要求将交流电转换为-575V直流供电，然后通过一个电源质量模块空冷整流器进入建筑。该-575V直流电通过一个配电模块配送到整个设施。此配电模块为一可扩容的“开关板”，它集成了多个系统（如公用工程、电池组等）所配送的输入电力。在该处，其他能源（如太阳能或风电）也可以进入配电系统。在这个配电开关板中引入高压直流电，并将其配送给各排服务器所用的电源变换设备，将其从 -575V直流电变换为-54 V直流电，它最高可为服务器组提供120 kW的电力。
　　
　　Validus公司首席运营官Ron Croce说，从对替代能源（通常为直流）感兴趣的运营商那里，该公司接到的询问数量不断增加。他说，Validus的开关板方案比较易于并联接入光电系统输出的电力，以使该种直流电源可用于配电。另外，很少有数据中心运营商愿意完全依赖于替代能源，至少在初始阶段是如此。通过Validus公司的方案，可集成多种电力源。例如，数据中心在白天可以使用太阳能，而在夜间则切换到交流电网的电源。据Croce的说法，在5年使用期内，包括设备、安装、维修和能效节约在内的总体拥有成本会比传统方案降低50%。

　　Intel公司的Bross指出，在电信行业，采用直流电压总线配电是一种已经过检验而可靠的方法。在该行业，额定电压为-48V直流。从实用角度看， Bross认为工程师们与其无休止地争论数据中心行业中直流电的实用性问题，还不如先对该技术在现有电信设备中的使用情况进行广泛的评估。除了直流电力的实用性问题，他还进一步提供了一个完善的在线计算器，设施工程师使用该计算器对交流电源系统和-48V直流电源系统的能效进行对比评估。这个计算器中没有采用通常假定的UPS效率和配电电线线号，而是允许使用者为复杂的配电和变电系统中的每个部件设定参数。看一下这个交流电源和直流电源比较计算器，就会发现直流配电系统的重要作用：该技术优于交流技术（参考文献4）。举例来说，Eltek Valere公司的Flatpack2 HE 48/2000整流器模块，其典型的电源转换效率为96%。据Eltek Valere公司称，这是目前可购到的效率最高的产品。该型产品最低价格为450美元。

　　Vicor公司负责 VI Chip 市场营销的副总裁Steve Oliver认为，-48V直流系统的确可以保证高能效的电源路由，并指出：转向直流电源还会促使人们重新考虑服务器机架内和服务器内配电中心的设计。Oliver说，将12V或 9.6V的输出电压转换为负载电压时，设计师经常采用同步降压变压器。由于该种结构占空比因素的影响，输入电压相对于输出电压越高，电路的效率就越差。例如，将12V电压降低为6V电压的同步降压整流器占空比为1比1，效率较高。而将12V电压降低为1V电压的同步降压整流器占空比则为1比12，效率就较低；该机构还对开关和控制FET有较大的考验。 Oliver发现人们正在逐渐抛弃同步降压变换器，转向可将48V降压到不足1V而效率并不会降低或降低很少的电路和设备。 他举例说，Vicor的VI chip产品就可以一步将48V电压降到0.8V。

　　尽管服务器确实需要采用较高的电压驱动硬盘等设备，但大型系统中90%的负载都用于驱动电压为0.9V的处理器和电压约为1.2V的内存栈。Oliver建议采用一个混合电源结构，其中包括每个服务器配一台主电源，用于将48V电源降压后向处理器和内存供应低电压，另外再采用一个容量小得多的电源向其他高