德州儀器：大數據中心的痛點(diǎn)，竟能如此解決？

  ICC訊 2020年新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，遠程辦公、在線(xiàn)教育、生鮮電商、無(wú)人配送等大量新商業(yè)模式得到了飛速發(fā)展，而這些業(yè)務(wù)模式背后顯然帶來(lái)了更大量的數據產(chǎn)生和流動(dòng) -- 大數據中心作為新基建七大領(lǐng)域之一的重要性進(jìn)一步提升。

  然而，目前全球40%的數據中心集中在美國，這幾乎是中國的五倍。很顯然，中國互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的數量是遠高于美國的，這意味著(zhù)中國有著(zhù)潛力巨大的大數據中心市場(chǎng)以及發(fā)展前景。但是，大數據中心建設是典型的重資產(chǎn)項目，建設周期和投資回報周期非常漫長(cháng)，具有一條很長(cháng)的產(chǎn)業(yè)鏈，包括服務(wù)器、路由器、交換機、光模塊，還有電源、軟件、網(wǎng)絡(luò )、機房等。顯然這是一個(gè)門(mén)檻相當高的領(lǐng)域。 與龐大的建設成本相比，之后的運營(yíng)成本更讓運營(yíng)者頭疼，其中電費占到了50%以上，具體的比例主要取決于各數據中心的能效水平。

  高能耗問(wèn)題成為數據中心的痛中之痛。 從技術(shù)角度上講，隨著(zhù)數據吞吐量不斷增加、任務(wù)也呈現多元化發(fā)展，不但需要處理器的性能不斷提升，處理器也因此呈現多樣性，除傳統CPU外，包括FPGA、GPU、Arm等開(kāi)始廣泛應用，供電系統需要盡可能滿(mǎn)足不同處理器類(lèi)型。其次需要高帶寬低延遲的信號傳輸，這些要求使得系統設計復雜度更高。 第三個(gè)方向則是大型化和集群化時(shí)代的到來(lái)，會(huì )給產(chǎn)品運維帶來(lái)諸多挑戰，要求產(chǎn)品提高可靠性并且IT運維盡量簡(jiǎn)化。 因此，德州儀器(TI)區域銷(xiāo)售經(jīng)理Rui認為，我國數據中心未來(lái)發(fā)展將突出表現在綠色化、智能化、大型化+集群化這三大方向。而一直以來(lái)，TI在數據中心所涉及的各個(gè)應用領(lǐng)域都有著(zhù)非常大的持續投入， TI也在依托自身的技術(shù)支持中國新基建的發(fā)展，幫助解決大數據中心所遇到的痛點(diǎn)。

  更高能效、更高功率密度的電源轉換

  數據中心所消耗的電能幾乎都是由市電交流電轉換而來(lái)。交流輸入首先被整流，然后被PFC電路調整到一個(gè)預先設定的電壓水平。下游的隔離DC/DC轉換器將高壓直流電壓轉換成服務(wù)器需要的低壓直流電壓，之后再進(jìn)行下一步直流電壓轉換，用于內存、處理器等的核心供電電壓。 實(shí)現綠色化中最重要的就是要減少電源轉換過(guò)程中所消耗的電能。 在PSU行業(yè)，能源之星80PLUS的標準自2007年生效以來(lái)，從黃金升級到鉑金以及如今的鈦金，對于電源轉換效率的要求一再提升。然而由于傳統硅MOSFET的性能接近極限，效率提高的速度正在放緩。

  業(yè)界開(kāi)始采用無(wú)橋圖騰柱PFC拓撲提高PSU的效率。但軟開(kāi)關(guān)無(wú)橋圖騰柱的缺點(diǎn)是控制復雜、驅動(dòng)和零電流檢測電路成本高，而且硅MOSFET的體二極管反向恢復速度較慢，使得圖騰柱PFC不能有效地在連續導通模式工作，而具有良好高頻工作的氮化鎵(GaN)技術(shù)可以更好地實(shí)現無(wú)橋圖騰柱PFC設計。 TI提供LMG3422R030，這是TI GaN的最新一代產(chǎn)品，具有集成驅動(dòng)、保護和報告功能。這種高集成度支持較低的共源電感和引線(xiàn)電感，非常適合高頻操作，從而降低柵極和開(kāi)關(guān)損耗以提高效率。此外，該器件采用緊湊的SMD封裝，具有低寄生引線(xiàn)效應，這使得器件非常穩定可靠。這些獨特的特性使電源工程師能夠輕松滿(mǎn)足服務(wù)器PSU的高能效需求，如80PLUS鈦金標準，同時(shí)實(shí)現更高的功率密度和可靠性。

  除了PSU之外，針對FPGA、CPU、GPU等負載的多相供電設計也存在著(zhù)諸多挑戰，其中相位管理的難度是最大的。電流必須在相位之間均勻平衡，以避免對任一相位產(chǎn)生額外的熱應力，并提供最佳的紋波消除。同時(shí)，必須在瞬態(tài)期間快速添加或移除相位，以最大程度減少輸出電壓偏移，這就需要更復雜的控制器。

  另外，額外的相位也會(huì )增加BOM成本和PCB面積。 多相供電功能主要包括了功率級與控制器，TI通過(guò)提供優(yōu)化適配的智能功率級與高性能控制器共同解決多相供電設計的難點(diǎn)。 首先，針對高集成度的智能功率級(Smart Power Stage)產(chǎn)品，將電流檢測功能、驅動(dòng)器和MOSFET進(jìn)行了統一封裝，從而提供更高的電流檢測精度，消除無(wú)源元件等。例如TI的同步降壓NexFET?功率級CSD95485，支持英特爾VR12.x和VR13.x的臺式機和服務(wù)器，針對高功率、高密度同步降壓轉換器中的使用進(jìn)行了高度優(yōu)化。集成了驅動(dòng)器集成電路和功率MOSFET，來(lái)完善功率級開(kāi)關(guān)功能。此外，還集成了溫度感測功能以簡(jiǎn)化系統設計并提高準確度。

  而對于控制器來(lái)說(shuō)，TPS53688是與之配合的，兼容 VR13.HC SVID 的雙通道無(wú)驅動(dòng)器多相(最多8相)同步降壓控制器。具有高級控制特性(例如具有重疊脈沖的D-CAP+?架構)支持下沖衰減 (USR) 和過(guò)沖衰減 (OSR)，可提供快速瞬態(tài)響應、最低輸出電容和高效率。該器件還支持在CCM 和 DCM 運行情況下進(jìn)行單相運行，從而提高輕負載情況下的效率。 當TI控制器與NexFET功率級配合使用時(shí)，該總體解決方案可提供超高速度和低開(kāi)關(guān)損耗。由于多相電源產(chǎn)品采用了數字方案，支持PMBUS，可以通過(guò)GUI圖形界面進(jìn)行修改與調整，相比模擬方案設計和調試更加靈活。

  簡(jiǎn)化數據傳輸設計

  PCIe是目前用途最廣泛的數據交換總線(xiàn)，由于PCIe擔負著(zhù)數據交換的重要作用，因此其標準升級也是最快更迭的。然而，PCIe的高速信號在通過(guò)長(cháng)的PCB走線(xiàn)或線(xiàn)纜進(jìn)行傳輸時(shí)，面臨著(zhù)保持信號完整性的重大挑戰，客戶(hù)一方面需要選擇低損耗的材料，另外則需要信號調節元件以改善傳輸路徑，在 PCle 4.0中，信號調節功能首次被直接寫(xiě)入到基本 PCle 規格中。 TI提供了Redriver和Retimer兩類(lèi)產(chǎn)品，并且具有Pin to Pin兼容的特點(diǎn)，可根據用戶(hù)具體應用需求而靈活選擇。 DS160PR810是一款高性能八通道PCIe 4.0 Redriver，支持16 Gbps的標準PCIe數據速率。它用于擴展高速 PCIe 串行鏈路的范圍和穩健性。具有可編程性，能夠實(shí)現最大限度的靈活性并提高通道的總體性能。

  簡(jiǎn)化運維

  數據中心必須維持關(guān)鍵操作和數據傳輸，隨著(zhù)數據中心的功率越來(lái)越大，對系統可靠性的挑戰也越來(lái)越大，因此備用電源是必需的。電源多路復用電路可以在主電源軌和備用電源軌之間做出自動(dòng)選擇或切換。TI的負載開(kāi)關(guān)和eFuse產(chǎn)品組合為用戶(hù)提供了靈活的電源多路復用解決方案。TI的eFuse產(chǎn)品系列符合UL 2367和IEC 62368-1安全認證，最大支持電流可高達70A。

  而相對于離散的保險絲和PTC不同，eFuse具有更準確的電流限制，響應速度更快，并且可以在沒(méi)有用戶(hù)干預的情況下恢復，因此非常適合數據中心的遠程維護需求?？蓮V泛應用于電源軌、硬盤(pán)、風(fēng)扇和PCIe外設等保護，從而大大提升了系統的可靠性。 TPS25982是具有精確負載電流監測和可調節瞬態(tài)故障管理功能的 2.7V 至 24V、2.7mΩ、15A eFuse?？梢酝ㄟ^(guò)區分瞬態(tài)事件和實(shí)際故障來(lái)智能地管理過(guò)流響應，從而允許系統在線(xiàn)路和負載瞬變期間不間斷運行，而不會(huì )影響故障保護的穩健性。該器件可配置為在故障關(guān)閉后保持閉鎖或自動(dòng)重試，這使遠程系統能夠自動(dòng)從臨時(shí)故障中恢復，同時(shí)確保電源不會(huì )因持續的故障而無(wú)限期地承受應力。

  除了痛點(diǎn)，還有什么?

  為了更好地支持中國新基建大數據中心的發(fā)展，TI正在盡可能為服務(wù)器系統提供更為全面的解決方案，除了上述幾項產(chǎn)品之外，包括TI第二代GaN器件、單向負載電源、中低速I(mǎi)2C擴展、溫度傳感器、電流傳感器等，方便客戶(hù)一站式選擇，簡(jiǎn)化用戶(hù)設計、采購、備貨等方方面面。 同時(shí)，TI在中國有北京，上海，深圳三個(gè)研發(fā)中心，TI和國內主流的OEM服務(wù)器商都有合作，同時(shí)也與國內外主流的ASIC供應商合作，開(kāi)發(fā)適合的供電系統參考設計。

  移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶來(lái)數據的激增。都說(shuō)數據是數字時(shí)代的石油，那么大數據中心就相當于煉油設備，從中挖掘出更多服務(wù)信息技術(shù)以及數字社會(huì )的價(jià)值。 如今TI已深耕中國35年，在數據洪流到來(lái)之時(shí)，TI始終如一通過(guò)提供齊全的模擬和嵌入式產(chǎn)品、強大的本地制造研發(fā)能力、遍布全國的產(chǎn)品分銷(xiāo)及銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò )，幫助中國數字新生代的開(kāi)拓者們解決難題與挑戰。

  關(guān)于德州儀器(TI)

  德州儀器 (TI) (納斯達克股票代碼：TXN) 是一家全球化的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷(xiāo)售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設備和企業(yè)系統等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實(shí)用，創(chuàng )造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng )新都建立在上一代創(chuàng )新的基礎之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現半導體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數十年來(lái)乃至現在一直在做的事。