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伺服器電源供應器設計趨勢概述

隨著數據中心和雲端運算技術的蓬勃發展,伺服器電源供應器(PSU)的設計也在迅速演變,從更高的輸出功率需求,到更高的功率密度和轉換效率,這些都對性能、能效和穩定性提出了更高的要求,並且直接影響數據中心的運營效率與能源消耗。PSU的效率對整體能源消耗和散熱需求有著直接影響。高效的PSU能有效減少能源損耗,減輕散熱負擔,從而保證伺服器在高負載下依然保持穩定運行。此外,提升PSU效率還能延長其使用壽命,並降低由於電源供應不穩定而引起的系統停機風險。為了提升系統的可靠性,冗餘電源架構已成為標準設計,這大大增強了伺服器電源供應器的可維護性。本文將介紹80 PLUS認證及其他國際能源標準的環保要求,並深入探討冗餘電源配置對提升系統可靠性和運行穩定性的關鍵作用。


1. 更高的輸出功率需求


在 21 世紀初,伺服器的電源供應器 (PSU) 功率範圍通常介於 200W 至 300W。然而,隨著計算需求的快速增長,今伺服器的功耗已大幅提升至 800W 至 2,000W,部分高效能伺服器更超過 3,000W。

然而,伺服器 PSU 仍主要採用額定電流 16A 的 IEC 60320 C19 (插座) / C20 (插頭) 交流插座,使其在 240V 交流輸入條件下,考量電源轉換效率後,最大功率受限於 3,600W,這將成為短期內 PSU 設計的功率瓶頸。為應對更高功率需求,資料中心已逐步轉向額定電流 20A 的 IEC 60320 C21 (插座) / C22 (插頭) 交流插座,使單 PSU 的功率上限進一步提升至 4,800W。此外,一些高效能運算機房開始部署 277V 甚至 400V 交流輸入,以降低電流需求,提高整體電源轉換效率。

隨著 AI 伺服器需求持續成長,資料中心開始採用更高功率等級的供電架構。例如,Hopper 架構的 AI 伺服器電源模組規格多集中在 3kW,而 Blackwell 架構的 AI 計算伺服器則已採用 5.5kW PSU,以支援 AI 訓練與推論所需的巨大算力。一些高階 AI 伺服器的功耗甚至突破 6,000W。在此趨勢下,未來 PSU 設計將朝向更高功率密度、更高效率 (如 80 PLUS 鈦金級或白金級效率) 以及更優化的散熱方案發展,以滿足 AI 及高效能運算對電力與穩定性的嚴苛要求。

2. 更高的功率密度


高功率密度電源在各類系統中扮演著關鍵角色,隨著伺服器的運算能力與功能日益增強,其電源需求也不斷攀升。特別是在空間受限的應用場景,如數據中心、高效運算 (HPC)、工業自動化、醫療設備與軍事應用,高功率密度的電源解決方案變得尤為重要。當前,伺服器的機殼尺寸保持不變,而功率需求持續提升,使得功率密度的要求越發嚴苛。現代伺服器 PSU 的功率密度已從 2000 年代初期的個位數提升至接近 100W/in³。為了實現更高的功率密度,電源設計必須兼顧高效能與小型化,這涉及降低能量轉換損耗、提升散熱效率與元件整合技術。

在電源拓撲設計方面,先進的高效架構,如 Totem-Pole PFC,能夠顯著降低導通與開關損耗,提升功率轉換效率。先進的氮化鎵 (GaN) 電源切換開關,元件數量減少了 40% 以上。更少的元件有助於提高可靠性,縮小解決方案的規模和成本。不僅能提升開關速度,還可減少功率元件的體積與散熱需求。高功率密度設計還需要優化關鍵元件,如理想二極體 (Ideal Diode) 或 ORing 控制器,這些元件必須具備高電流承載能力、小型封裝與內建故障監控功能,以減少 PCB 面積與元件數量,進而提升整體功率系統的可靠性與效率。散熱管理則是另一項挑戰,隨著功率密度提高,熱管理技術必須同步升級。例如,導入熱管、均熱板與先進的風冷或液冷技術,能夠有效降低功率模組內部的熱應力,延長電源壽命。

3. 更好的轉換效率


在 2000 年代初期,伺服器電源供應器(PSU)的轉換效率普遍僅略高於 65%,當時的設計主要關注供電穩定性,而非能效優化。傳統的轉換器拓撲結構能夠輕鬆達到 65% 的效率要求,但由於伺服器通常需要長時間運行,提高 PSU 的轉換效率能顯著降低整體運行成本與能源消耗。電源轉換效率直接影響系統的能源利用率。例如,在 90% 的轉換效率下,若伺服器需要 800W 的輸出功率,則電源供應器僅需從電網獲取約 888W(800W / 90%),而若轉換效率僅有 80%,則需高達 1,000W(800W / 80%)。兩者相比,低效率的 PSU 多消耗了 112W 的電力,這對於大型數據中心而言將造成可觀的能源浪費與額外的散熱需求。

自 2004 年起,美國環保署 (EPA) 宣佈推出了 PC 電源供應器 (PSU) 的 80 PLUS 能效標準,80 PLUS 認證成為衡量 PSU 能效的重要標準,適用於 PC 與伺服器電源供應器,要求產品在不同負載條件下的轉換效率至少達到 80% 以上。目前市面上主流的伺服器 PSU 多數已達到 80 PLUS Gold(>87~92% 效率)標準,部分高端產品甚至可達 80 PLUS Platinum(>90~94% 效率)。80 PLUS 認證已成為 PSU 設計的重要指標,規範電源供應器在 20%、50% 和 100% 負載條件下的最低轉換效率標準。透過提高電源轉換效率,不僅能降低能源損耗與熱能產生,還能提升系統穩定性並減少冷卻系統的負擔。

80 PLUS 認證根據電源供應器的效率分為以下級別:
(1) 標準 80 PLUS:轉換效率在 80% 85% 至以上。
(2) 80 PLUS Bronze(銅牌):轉換效率在 81% 至 88% 之間。
(3) 80 PLUS Silver(銀牌):轉換效率在 85% 至 90% 之間。
(4) 80 PLUS Gold(金牌):轉換效率在 87% 至 92% 之間。
(5) 80 PLUS Platinum(白金牌):轉換效率在 90% 至 94% 之間。
(6) 80 PLUS Titanium(鈦金牌):最高級別,轉換效率在 90% 至 96% 之間。

80 PLUS 認證等級

4. 什麼是冗餘電源 (Redundant Power Supply)


在伺服器電源供應器的設計中,冗餘電源(Redundant Power Supply, RPS)是一項關鍵機制,旨在確保當主要電源模組發生故障時,系統仍能維持正常運作,避免因電源中斷導致運轉中斷或數據遺失。此設計通常由兩個或多個電源模組(Power Supply Unit, PSU)組成,可根據應用需求選擇不同的配置,如 1+1、N+1 或 N+N 結構。當其中一個電源發生故障時,備援模組可立即承擔供電,熱插拔更換故障模組,確保系統穩定運行,提升整體可靠性。

(1) 電源冗餘的功能介紹

在資訊科技與數據中心應用中,系統的高可用性至關重要,而電源冗餘正是確保穩定運行的重要策略。透過多模組電源架構,即使單一電源模組故障,系統仍能持續運作,確保運轉不中斷。此外,電源冗餘能夠強化數據完整性、即時故障轉移,並有效降低意外停機的風險。特別是在雲端運算設備、數據中心及通訊基站等應用中,冗餘電源可顯著減少單點故障帶來的影響,提升整體運行效率。

(2) 電源冗餘的工作方式

電源冗餘的核心優勢在於其高可靠性與穩定性,確保系統在電源異常時仍能持續運行。其主要工作方式包括:

A. 多模組架構:即使某一電源模組發生故障,其他模組仍可維持系統正常運作,避免單點故障導致全面停機。
B. 自動故障切換:當主要電源模組發生故障時,系統能夠在毫秒時間內自動轉換至備援模組,確保負載設備不受影響。
C. 負載分擔:多個電源模組可同時運行並分擔負載,提高能源效率,減少單一模組的壓力,延長設備壽命。
D. 便於維護:模組化設計支援熱插拔(Hot Swap),技術人員可在系統運行期間直接更換故障電源模組,無需關機,大幅提升維護效率。

(3) 適用場景

冗餘電源技術廣泛應用於需要 24/7 不間斷運行的領域,以確保運行穩定並降低電源中斷帶來的損失。
A. 伺服器系統:企業級伺服器、雲端計算設備、數據中心機架式伺服器等。
B. 通訊基站:確保電信網絡穩定運行,避免訊號中斷。
C. 醫療設備:如生命維持系統、手術設備等,對電源穩定性要求極高。

5. 冗餘電源配置形式


伺服器的冗餘電源設計旨在提高系統可靠性,防止單點故障導致運轉中斷。對於基本伺服器系統,常見的 1+1 備援架構包含一個主動電源供應器 (PSU) 和一個備援 PSU。較複雜的伺服器系統則可能採用 N+1 或 N+N (N>2) 配置,以滿足更高的可靠性需求。為了確保更換 PSU 時系統能夠維持正常運作,這些架構通常搭配熱插拔技術,並透過 ORing 控制來防止回流。此外,由於多個 PSU 在 N+1 或 N+N 系統中同時供電,均流技術亦為關鍵,以確保負載均衡與穩定供電。以下是主要冗餘電源配置的詳細解析:

(1) 1+1 配置

A. 第一個「1」:指伺服器正常運作所需的電源模組數量。
B. 第二個「1」:指作為備援的電源模組數量。
C. 在 1+1 配置中,伺服器僅需一個 PSU 供電即可運行,但額外配置一個相同規格的 PSU 作為備援。當主 PSU 發生故障時,備援 PSU 立即啟動接手供電,確保系統持續穩定運行。此配置適用於中小型伺服器或對電源可靠性有較高要求的單一設備。

(2) N+1 配置

A. 第一個「N」:指伺服器正常運作所需的電源模組數量 (N≥2)。
B. 第二個「1」:指作為備援的電源模組數量。
C. 在 N+1 配置中,伺服器透過 N 個 PSU 共同供電,以滿足正常運行需求,並額外配置一個備援 PSU。當其中一個運行中的 PSU 發生故障時,備援 PSU 會自動接手負載,確保供電不中斷。例如,若伺服器需要 3 個 PSU 供電,則配置形式為 3+1,共 4 個 PSU。N+1 配置廣泛應用於中大型伺服器,特別適用於對穩定性要求較高的數據中心與企業級應用。

(3) N+N 配置

A. 第一個「N」:指伺服器正常運作所需的電源模組數量 (N≥2)。
B. 第二個「N」:指作為備援的電源模組數量 (N≥2)。
C. 在 N+N 配置中,伺服器需要 N 個 PSU 供電,同時配備與運行 PSU 數量相等的 N 個 PSU 作為備援。例如,若伺服器正常運行需 2 個 PSU,則配置為 2+2,共 4 個 PSU。此架構提供雙重冗餘保障,不僅能應對單一 PSU 故障,還能應對同時多個 PSU 失效的情況。N+N 配置通常用於關鍵伺服器,如金融系統、大型數據中心或高可用性雲端運算平台。

(4) 配置選擇的考量

1+1、N+1 和 N+N 各有其適用場景與成本考量。在設計伺服器電源架構時,需根據實際應用需求、伺服器的重要性以及預算來選擇最合適的配置。

力億企業專注於高可靠性的電源解決方案,提供多樣化的冗餘電源架構,以滿足客戶對系統穩定性與運轉連續性的需求。在冗餘電源設計中,PSU 即使處於待機模式 (未從主電源軌輸出供電),仍需能夠在熱插拔事件發生時立即提供全功率,這要求 PSU 持續維持基本的啟動狀態。然而,為了降低待機狀態的能源消耗,「冷備援」技術逐漸成為發展趨勢。

冷備援技術:冷備援的原理是當備援 PSU 處於待機狀態時,不會維持高能耗的待命運行模式,而是在主 PSU 故障或突發負載需求時迅速啟動,提供所需功率。這種設計可大幅降低備援 PSU 在待機模式下的功耗,提升能源效率,並符合綠色數據中心的節能需求。隨著節能法規趨嚴與環保意識提升,冷備援架構正成為未來伺服器電源設計的重要趨勢。

6. 總結


未來伺服器電源供應器的設計將持續朝著滿足更高效能需求並兼顧能源效率與可靠性兩大方向發展。隨著計算能力的提升,高功率密度設計將成為重點,通過先進的功率元件及創新散熱技術來提升電源輸出能力。同時,冗餘設計和熱插拔技術將保障伺服器在電源故障時,仍能無縫運行,確保運轉持續運作。未來,符合 80 PLUS 認證及其他國際能源標準的高效能設計將成為主流,助力企業減少碳足跡並優化運營成本。力億企業始終專注於提供高品質的電源解決方案,致力於保證伺服器系統在高負載運算環境中的穩定運行,並提供全面的電源管理策略,協助企業實現最優效能。


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