云中的電源效率很重要，尤其是在服務(wù)器數(shù)量以驚人的速度增長(zhǎng)的情況下。

寬帶和智能手機(jī)革命極大地改變了我們?cè)诼殬I(yè)和私人生活中消費(fèi)和與信息互動(dòng)的方式。存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)器，俗稱“云”，越來(lái)越多地托管大多數(shù)主要應(yīng)用程序。他們使用快速的 Internet 連接和強(qiáng)大的資源來(lái)整合和處理廣泛的數(shù)據(jù)并快速響應(yīng)用戶。

這種范式有望為客戶提供即時(shí)且始終在線的響應(yīng)、無(wú)處不在的訪問(wèn)和較低的資本投資。云服務(wù)器是我們?nèi)粘；顒?dòng)中不可或缺的一部分，無(wú)論是用于 Netflix、Facebook 或 Siri 等消費(fèi)者應(yīng)用程序，還是作為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M） 活動(dòng)，或企業(yè)解決方案，例如 SAP 和 SalesForce。

在這些力量的推動(dòng)下，服務(wù)器容量以驚人的速度增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，云計(jì)算已從 2006 年（亞馬遜推出其亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù) （AWS） 平臺(tái)）的基本零增長(zhǎng)到 2014 年 580 億美元的市場(chǎng)。根據(jù) Forrester Research 的數(shù)據(jù)，公共云市場(chǎng)（不包括亞馬遜的專屬數(shù)據(jù)中心，谷歌等）預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末將達(dá)到 1910 億美元。相比之下，WSTS 預(yù)測(cè)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)在 2014 年的全球銷售額將達(dá)到 3330 億美元。

云計(jì)算收入包括隨著技術(shù)成熟和競(jìng)爭(zhēng)加劇而降低價(jià)格的影響。更令人驚奇的是云計(jì)算在原始計(jì)算能力方面的增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，領(lǐng)先的云服務(wù)提供商 AWS 在全球部署了超過(guò) 280 萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。

在架構(gòu)上，服務(wù)器也通過(guò)轉(zhuǎn)向超大規(guī)模和多線程結(jié)構(gòu)而發(fā)生了顯著變化，處理器內(nèi)核顯著提高了其原始吞吐量。其他設(shè)計(jì)技術(shù)，例如能夠動(dòng)態(tài)更改時(shí)鐘速度、供電電壓以及改變同時(shí)運(yùn)行的內(nèi)核數(shù)量，都能夠?qū)τ?jì)算負(fù)載要求做出更大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。盡管如此，它們也大大增加了供電要求的復(fù)雜性。

消費(fèi)增長(zhǎng)

最相關(guān)的是這些數(shù)據(jù)中心消耗的電能；隨著服務(wù)器的安裝基數(shù)迅速增加，它們的能源消耗也在增加。獲得準(zhǔn)確的公司編號(hào)很困難，但一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)為消耗 3 兆瓦的電力，擁有超過(guò) 8000 臺(tái)服務(wù)器。谷歌在 2011 年估計(jì)，僅其數(shù)據(jù)中心就持續(xù)消耗約 260 兆瓦的電力，約占最先進(jìn)核電站輸出的 25%。為緩解電力傳輸挑戰(zhàn)，全球絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都位于哥倫比亞河水力發(fā)電系統(tǒng)等大型電源附近。

全球 2010 年的估計(jì)表明，數(shù)據(jù)中心使用了全球 1% 到 1.5% 的電力消耗，相當(dāng)于巴西的總消耗量。在美國(guó)，數(shù)據(jù)中心的用電量接近該國(guó)總用電量的 2%，相當(dāng)于新澤西的總用電量。從本質(zhì)上講，數(shù)據(jù)中心在 2010 年底之前為美國(guó)電網(wǎng)增加了另一個(gè)新澤西州，并且負(fù)載繼續(xù)增長(zhǎng)。

這種巨大的電力消耗增長(zhǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了重大影響。雖然處理器內(nèi)核可能會(huì)提供更大的處理能力，但由于它們遵循摩爾定律和架構(gòu)改進(jìn)，它們的電壓還沒(méi)有足夠快地?cái)U(kuò)展以降低整體功耗。

數(shù)據(jù)中心主要以兩種方式使用電力：為計(jì)算機(jī)提供所需的能量并充分冷卻它們，使系統(tǒng)保持在其運(yùn)行范圍內(nèi)。因此，電力輸送的微小改進(jìn)對(duì)利潤(rùn)產(chǎn)生了有利的影響。除了減少電費(fèi)外，高效的電力輸送還可以在給定的預(yù)算下增加數(shù)據(jù)中心的容量。這是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)檠b機(jī)容量繼續(xù)保持著兩位數(shù)的年增長(zhǎng)率。

電力調(diào)配

最先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心配電由一系列降壓電壓和負(fù)載點(diǎn)供電組成。原始效率是最大的挑戰(zhàn)，但電力系統(tǒng)還可以通過(guò)幾種不同的方式增加功能以降低能耗。

最新一代的基礎(chǔ)設(shè)施電源轉(zhuǎn)換器支持多相操作，并將從輕負(fù)載到峰值負(fù)載的功率保持在接近峰值的效率。它們通過(guò)并行化多個(gè)功率傳輸階段來(lái)實(shí)現(xiàn)接近峰值的效率，控制器根據(jù)功率消耗要求對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。圖 1 顯示了一個(gè)典型的多相系統(tǒng)，其中穩(wěn)壓器調(diào)制每個(gè)電感器以提供可變數(shù)量的電流。

圖 1：典型的多相電力系統(tǒng)。

多相操作改善了單相轉(zhuǎn)換器的一個(gè)主要缺點(diǎn)，即效率在標(biāo)稱負(fù)載時(shí)達(dá)到峰值，但在高負(fù)載時(shí)會(huì)下降。圖 2 顯示了多相系統(tǒng)如何根據(jù)負(fù)載智能選擇相數(shù)。在更大的運(yùn)行范圍內(nèi)拉平效率曲線，使數(shù)據(jù)中心規(guī)劃人員無(wú)需在針對(duì)典型工作負(fù)載和最大工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化之間進(jìn)行選擇。

圖 2：多相電源穩(wěn)壓器可在較寬的工作范圍內(nèi)最大限度地提高電源效率。

將處理器內(nèi)核劃分為“電源島”可以使系統(tǒng)的某些部分在不使用時(shí)關(guān)閉。供電系統(tǒng)現(xiàn)在可以滿足提供多個(gè)同步軌的需要。

今天的處理器內(nèi)核通過(guò)數(shù)字總線（通常是 PMBus）將預(yù)期的功率容量傳達(dá)給電源轉(zhuǎn)換器。負(fù)載的變化可能是其他內(nèi)核上線、處理器時(shí)鐘速度變化或軟件正在處理特別密集的序列的功能。通過(guò)深入了解預(yù)期負(fù)載，控制器可以最大限度地提高整個(gè)負(fù)載曲線的效率。管理能源消耗的持續(xù)時(shí)間和水平的能力為服務(wù)提供商提供了另一大優(yōu)勢(shì)：他們可以使用系統(tǒng)活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度來(lái)計(jì)算每個(gè)流程的賬單。

綠色襯里

這片“云”有一層綠色的襯里。即使它使用大量能源，云中計(jì)算任務(wù)的有效整合——它采用了一些有史以來(lái)最強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)——仍然有望降低跨離散任務(wù)執(zhí)行任務(wù)所需的總能量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心不斷變化的電力輸送需求為半導(dǎo)體制造商提供了重大的創(chuàng)新機(jī)會(huì)和創(chuàng)造新突破的機(jī)會(huì)。

審核編輯：郭婷