Alimentatori efficienti per server

SISTEMI DI POTENZA –

Gli alimentatori per server ad alta efficienza destinati a centri di elaborazione dati e applicazioni di cloud computing si avvicinano alla fase produttiva.

Gli alimentatori ad alta efficienza da armadio o rack sono necessari per migliorare il rendimento energetico complessivo del crescente numero di sistemi installati nei centri di elaborazione dati e per supportare applicazioni di cloud computing. Le architetture di alimentazione come il coolRAC di IDT comprendono un alimentatore front-end Ac/Ac, un backplane, dei raddrizzatori sincroni AC/DC e un modulo regolatore di tensione Dc/Dc. Si tratta di sistemi che offrono un rendimento energetico totale prossimo al 90%. A distanza di un anno dalla presentazione concettuale del sistema, IDT ha oggi completato i primi prototipi dei dispositivi coolRAC pronti all'uso. Comprendono un alimentatore “Silverbox” con ingresso a 480 Vac trifase e uscita a 50 Vac, un raddrizzatore sincrono da 300 W con ingresso a 50 Vac e uscita a 5 Vdc, e un modulo regolatore di tensione o Vrm  (Voltage Regulator Module) con ingresso a 5 Vdc e uscita a 1 Vdc. Un alimentatore dimostrativo da 3,6 kW evidenzia il comportamento dei convertitori di potenza in un'applicazione di tipo server. Questo articolo descrive il sistema dimostrativo coolRAC di IDT e la sua capacità di soddisfare la necessità globale di una maggiore efficienza energetica dei Ced e delle reti di cloud computing. Il sistema dimostrativo coolRAC consiste di un rack standard da 19” di altezza 20U, due alimentatori Silverbox e sei power blade (cinque con carichi da 5 V e uno con moduli Vrm e carichi da 1 V). Il backplane ha lo scopo di dimostrare che un economico backplane di rame a doppia faccia, che pesa meno di 60 grammi, è sufficiente per fornire la potenza ad alta efficienza richiesta nella dimostrazione. È stata utilizzata un'interfaccia LabView per monitorare la potenza nei punti critici del sistema e per controllare la configurazione e i livelli di potenza dell'alimentatore e del sistema blade.

Il regolatore di tensione
Partendo dalla fine della linea di potenza, o dalla conversione nel punto di carico, la conversione della tensione per il core è effettuata tramite un controller buck VR12.x Intel standard o modello equivalente, con modulazione Pwm a 6 fasi. È generalmente noto che riducendo la tensione di ingresso del controller da 12 V a 5 V, è possibile migliorare l'efficienza in maniera significativa. Questo aumento di efficienza, rispetto alla conversione tipica da 12 Vdc a 1,0 Vdc, è pari a circa il 3%. Il modulo di conversione VRM da 5 Vdc a 1 Vdc è realizzato con tecnologia ad accoppiamento induttivo. Oltre all'elevata efficienza, questo approccio riduce in maniera significativa la necessità di condensatori di bulk in uscita e riduce le dimensioni generali del sistema. La conversione nel punto di carico potrebbe essere anche ottenuta utilizzando una configurazione con regolatore di tensione integrato (Voltage Regulator Down) se sono presenti spazio su scheda e capacità di progetto. Il sistema coolRAC utilizza sei Vrm su uno dei power blade per dimostrare l'efficienza totale di sistema all'uscita da 1 Vdc del Vrm. L'efficienza di tutti e sei i VRM funzionanti in parallelo su questo blade è superiore al 95%.

Il raddrizzatore sincrono
I raddrizzatori sincroni da 300 W dovrebbero risiedere il più possibile in prossimità del carico (processore, memoria, Asic ecc.). È la soluzione raccomandata quando si desidera minimizzare le perdite I2R e ottenere la massima efficienza possibile sul bus da 5 Vdc (uscita del raddrizzatore). Il raddrizzatore sincrono converte la tensione del backplane a 100 kHz, da 50 Vac a 5 Vdc, con un'efficienza del 98%. La configurazione del ponte raddrizzatore è a presa centrale, con controllo sul secondario tramite rapporto di trasformazione 10:1:1.

Il backplane
Le perdite nel backplane sono molto basse con una tensione di distribuzione di 50 Vac a 100 kHz, tipicamente inferiori all'1%. Inoltre, 50 Vac sono in generale molto più sicuri rispetto ai sistemi di distribuzione a 400 Vdc o a 48 Vdc. 50 Vac è stata scelta come tensione operativa sicura in grado di generare perdite molto basse nel backplane. Per soluzioni di maggiore potenza, è possibile aggiungere degli strati di rame supplementari, aumentare la tensione del backplane, o realizzare una combinazione di questi due accorgimenti.

L’alimentatore Silverbox
L'alimentatore front-end Silver box è stato progettato per una potenza di uscita massima di 3,6 kW. Questo livello di potenza costituisce un fattore importante nel soddisfare i requisiti di potenza di sistemi molto più grandi ed è simile al livello di potenza degli alimentatori con architetture da 12 Vdc e 48 Vdc. Il raddrizzatore front-end trifase Vienna, comprendente Mosfet di potenza e un sistema di rifasamento, offre un fattore di potenza pari a 0,99 in condizioni di piena potenza. La tecnologia coolRAC di IDT permette di ripartire la corrente tra più alimentatori, garantendo un'alimentazione ridondante. Sia gli alimentatori che i power blade sono sistemi hot-swap (sostituibili a caldo), un requisito essenziale per questo tipo di applicazione. La tensione di ingresso al modulo di alimentazione è pari a 480 Vac in trifase, prontamente utilizzabile per centri di elaborazione dati e reti di cloud computing. La tensione di uscita è pari a 50 Vac con una frequenza di 100 kHz, mentre le dimensioni sono leggermente più piccole rispetto ai normali Silverbox da 12 V e 48 V. L'uscita a 50 Vac e 100 kHz è di tipo sinusoidale e solitamente non provoca significativi problemi di interferenza elettromagnetica. L’ondulazione residua (ripple) è di appena 260 mVpp. Un aspetto fondamentale è che la realizzazione di alimentatori server ad alta efficienza nei centri di elaborazione dati non richiede di norma modifiche all'infrastruttura esistente, come invece succede nella distribuzione ad alta tensione in Dc. In base alla zona geografica, sono già disponibili forniture a 480 Vac, 380 Vac, 220 Vac e 208 Vac. La differenza principale tra il coolRAC e gli alimentatori tradizionali a 12 Vdc e 48 Vdc emerge osservando il rendimento di conversione da 480 Vac a 5 Vdc, in uscita al raddrizzatore sincrono. A ciò vanno aggiunte le perdite di distribuzione delle architetture tradizionali. L'efficienza di conversione del coolRAC (compresi Silverbox, backplane e raddrizzatore) è superiore al 94%. Considerando le perdite tipiche nei backplane dei sistemi tradizionali, ciò equivale ad efficienza al livello 80 Plus Titanium.

Il rendimento del sistema
L'elevata efficienza del gruppo regolatore di tensione, raddrizzatore sincrono, backplane e front-end produce un rendimento di conversione, da 480 Vac a 1 Vdc, che sfiora il 90%. Oggi i sistemi server hanno tipicamente un'efficienza totale che va dal 70% al 85% circa. Solitamente utilizzano ingressi a 220 Vac e tensioni di distribuzione nel backplane pari a 12 Vdc o a 48 Vdc. La sostituzione di tutti i server esistenti con architetture più efficienti potrebbe far risparmiare, a un Ced da 12 MW, circa 1 milione di dollari all'anno come costi energetici di alimentazione e di raffreddamento. Il consumo di potenza mondiale dei Ced equivale a diciassette impianti da 1 GW. Un risparmio medio del 10% in tutto il mondo, sarebbe come avere 141 Ced in meno e, in termini monetari, un vantaggio economico di 141 milioni di dollari l'anno.

Più efficienza nei server
Malgrado la significativa contrazione che ha colpito l'economia mondiale, si prevede che il consumo energetico dei centri di elaborazione dati aumenterà del 19% nei prossimi 12 mesi e continuerà a crescere nell'immediato futuro. Tra le forze motrici del mercato vi sono il cloud computing, la condivisione di file audio e video, la trasmissione di dati su rete cellulare e le applicazioni di social networking. Il risparmio potenziale che si può ottenere utilizzando, per i server, alimentatori ad alta efficienza è estremamente elevato. Questo aumento di efficienza comporta inoltre la possibilità di aggiungere dispositivi hardware supplementari senza incidere sulla potenza assorbita, anche in termini di raffreddamento. Capita spesso che il gestore di energia elettrica applichi un sovrapprezzo all'energia consumata in eccesso rispetto agli accordi contrattuali: alimentatori ad alta efficienza permettono al responsabile del Ced di rispettare sia il budget di potenza contrattuale sia le esigenze delle apparecchiature informatiche. Architetture come il coolRAC di IDT rappresentano una soluzione interessante per abbattere i costi operativi di un Ced, oltre a migliorare parametri prestazionali chiave come i gigaflop/watt, che indicano proprio l'efficienza della potenza erogata. Tali architetture offrono un approccio diretto ed economicamente valido all'aumento dell'efficienza energetica, soddisfacendo le attuali esigenze e preparando il terreno alle migliorie future.

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