从电网到芯片：优化AI数据中心的能源效率

?为了满足日益增长的AI数据中心容量需求，必须克服在计算能力、电力供应和冷却系统扩展方面的复杂挑战。伟创力嵌入式和关键电源解决方案副总裁Mattias Jansson深入探讨为保持领先所需的电力系统架构。 

新一代半导体技术与现代数据中心基础设施所释放的强大算力正在推动人工智能和机器学习等技术快速融入日常生活。然而，随着高性能计算系统的加速部署，数据中心的能源消耗正承受前所未有的压力。据国际能源署（IEA）预测(1)，到2026年，全球数据中心的年耗电量将超过1000太瓦时（TWh），相当于2023年加拿大、波兰和阿根廷三国电力消耗总和。 

应对电力系统架构的现实制约 

数据中心运营商不仅需要接入更多电力来源，还必须具备高效分配电力的能力——从电网到设施、机架，最终传输至芯片。同时，他们也面临着降低计算基础设施资本支出的巨大压力，包括电源系统、配电系统和冷却解决方案。在此背景下，削减能源成本和降低环境影响同样至关重要。为了提升投资回报率并通过基础设施优化获得竞争优势，最大化电力转换效率、最小化运营成本已成为运营商的首要任务。

然而，电力系统架构本身也面临一些重大限制。例如，芯片层面趋向于更低电压、更高电流的趋势，意味着最终的电力转换阶段必须尽可能靠近负载，以最小化电压损耗和信号干扰，并应对现代处理器快速变化的负载需求。此外，将电力电子设备靠近芯片布置，也带来了热管理方面的挑战，尤其是在空间受限的环境中。

上游的电力转换（即从电压调节模块 VRM 开始）通常通过分布式电源架构分阶段实现。这一过程包括与市电连接的AC/DC转换器、备用电源系统，以及在最佳电压水平下运行的中间母线，以便控制电流在可管理范围内。这些分阶段的设计有助于有效降低导体的尺寸与成本，减少系统能耗与电压降。 

在设计最优的电力架构还涉及将电源转换器集成至数据中心的冷却系统中，并就在何处引入电气隔离做出决策，以降低安全风险和防止地环路问题。归根结底，由功率密度和能效决定的物理空间限制和散热需求，在电力设备的部署位置和方式上起着决定性的作用。 

寻找数据中心电力分配的最优解决方案 

数据中心的电力分配涵盖了从传统的交流电网变压器和开关设备，到机械母线系统，再到以兆赫兹（MHz）频率运行的高频直流/直流（DC/DC）转换器等广泛技术。由于可选方案众多，确定最有效的配置往往难以评估，在某些情况下甚至容易受到主观判断的影响。 

例如，系统架构师可能更倾向于采用800伏直流电进行配电而非传统的48伏直流电，这样可以降低电流水平，最大限度减少功率损耗和电压降，并且能够使用更小、更具成本效益的母线和电缆。然而，更高的电压也带来了更严格的合规要求，包括额外的绝缘、电气隔离措施以及认证流程。同时，这也对人员安全提出了更高要求，仅允许具备相应资质的工程师和技术人员操作此类系统。相比之下，48伏直流母线仍是广受欢迎的选项，其优势在于行业应用广泛，零部件选择丰富、货源充足，且因规模效应而成本更低。同时，48伏直流电本身低于安全特低电压（SELV）限制，具备天然的安全性。

另外一个关键的设计考量是中间母线电压应采取稳压还是非稳压方案。非稳压、隔离式设计能够实现更高的效率和更好的功率密度，但这类方案通常需要精选下游转换器以确保兼容性。部分系统则采用混合式稳压策略，即允许母线电压在预设范围内波动，仅当电压超出这些阈值时才启动主动控制。这种方式在保持高效率的同时，也为下游电源转换提供了更大的灵活性。

实现数据中心端到端电力转换优化

要确定从电网到芯片的电子转换与分配的最优方案，需要采取整体性的设计思路。目前传统的“电源树” 架构已经难以满足新一代系统的需求，因为各级电能转换之间的边界正在发生变化。例如，直流/直流转换器如今通过垂直供电（VPD）技术在电气与热管理层面与处理器紧密集成，并针对不同处理器的引脚布局进行定制化设计。

当电能转换链条中的组件来自多个供应商时，系统不兼容的风险会显著增加。各供应商往往采用各自的专有技术，彼此之间难以完全兼容，使得构建统一协调的系统更加复杂。这也凸显了与经验丰富、值得信赖的电力转换合作伙伴合作的重要性——其能够提供端到端的集成解决方案，在确保各组件协同适配的同时，实现系统性能优化、成本有效控制，并提供长期稳定的技术支持与专业指导。

伟创力提供种类丰富的数据中心电源与冷却产品，涵盖直流/直流稳压器、总线转换器、中低压交/直流转换方案、配电、关键备用电源系统，以及机架级与芯片级冷却解决方案。此外，伟创力还提供定制化设计服务，包括垂直供电结构配置以及用于部署前系统建模的仿真工具。同时，伟创力也配套提供全面的监测与技术支持，确保系统长期稳定运行并保持可靠性能。

随着数据中心容量需求持续快速增长，运营方亟需不仅能够提供优质产品，并且能够交付完整、可扩展解决方案的可靠合作伙伴。伟创力凭借在设计、产品开发、制造、系统集成及供应链管理等方面的深厚专业积淀，助力数据中心实现高效扩容，满足不断演进的性能需求，并确保所需容量按时上线。无论是既有设施升级，还是新建项目部署，快速、可靠地在全球范围内推进新一代供电与散热基础设施，已成为提升数据中心韧性的关键因素。

垂直供电：提升效率与性能

垂直供电（VPD）通过提升供电效率与系统可靠性、显著降低能耗，在数据中心电源管理中发挥重要作用。相比之下，传统的横向供电方式容易在印制电路板（PCB）上造成较大的功耗，不仅增加了能耗成本，也加剧了散热难度。VPD通过将电压调节器直接置于高性能处理器下方，显著缩短了供电路径。这种更近的布局可降低电源层阻抗、提升电流密度，并大幅减少功率损耗。进一步地，VPD设计通过直接连接处理器或ASIC的底部供电引脚，在效率和性能方面实现了更高程度的优化。

提升芯片级散热效率

虽然加速计算平台为数据中心带来了更高的功耗需求，但由此产生的热量也对冷却解决方案提出了巨大挑战。直冷技术通过将处理器产生的热量直接传导至液冷冷板，有效提升了散热效率。与传统的风冷方式相比，这种方法在热传输和热移除方面表现更优，同时也使主板设计更加灵活，无需再将处理器和散热器靠近风道出口布置。伟创力旗下公司JetCool进一步提升了这一方案，采用微射流技术，可精准冷却芯片上的热点区域，从而在芯片级别实现更高效的散热性能。

智能管理，实现不间断供电

对于数据中心而言，稳定、可扩展的电力供应至关重要，既是避免宕机与数据丢失的保障，也是系统高效与安全运行的基础。电力故障、负载不均或供电效率低下，都可能引发例如服务中断、过热甚至设备损坏等严重后果。

伟创力旗下公司 Anord Mardix 推出的预制模块化电源系统，能够省去数据中心扩容计划中耗时且成本高昂的改造工作。这些模块将变压器、开关设备及不间断电源（UPS）等关键部件集成于一个结构紧凑且经过预先测试的整体模块中，可快速部署，最大限度减少运行中断。