為數據中心供電：需要有效的門級供電策略

作者：時間：2026-03-10 來源：

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如今的數據中心在運行大語言模型及其他計算密集型人工智能（AI）與機器學習（ML）應用時，對電力的需求正變得極為巨大。圖 1 展示了 2010 年以來服務器機架功耗需求的增長趨勢，并預測到 2028 年。

1. 2010年至2020年間相對穩定，機架級功率需求隨后爆炸式增長。

盡管在這一時期的前十年間功耗需求相對穩定，但自 2020 年起出現了爆發式增長。因此，IT 服務器機架正在不斷演進，以實現從公用電網到半導體芯片門級的高效電力傳輸。

機架式服務器代際演進

圖 2 展示了第一代數據中心配電架構。這種方案自 1990 年代投入使用以來，將來自公用電網的三相中壓電降壓為線間電壓 480 V 交流電。

2. 第一代供電架構包含前端不間斷電源（UPS），并向每個電源單元（PSU）輸送單相交流電。

該電壓被施加到基于電池的不間斷電源（UPS）。它可以濾除短暫的線路電壓跌落，或者在出現較長時間停電的情況下，通過自動轉換開關（ATS）或靜態轉換開關（STS）維持服務器運行，直至備用發電機投入使用。

從 UPS 輸出端開始，配電單元（PDU）將電力輸送至每個服務器托盤的電源單元（PSU），由 PSU 執行功率因數校正（PFC）。PSU 同時生成穩壓 12 V 直流輸出，供給各類穩壓器（VR），包括負載點（PoL）穩壓器，為服務器托盤內的處理器、內存和通信芯片提供低電壓。

當機架總功率超過 10~20 kW 時，第一代方案開始力不從心。第二代架構保留了 13 kV 中壓交流電網輸入以及 ATS/STS 備用發電機切換開關。不過，前端 UPS 的功能由每個 IT 機架內的電池備份單元（BBU）或電容備份單元（CBU）所取代。

每個機架還包含一個 AC-DC 電源架，將 480 V 交流電轉換為 50 V 直流電。母線將 50 V 直流電分配至每個 IT 托盤，再由中間母線轉換器（IBC）生成 12 V 電源軌。

第二代架構最高可支持單機架約 100~200 kW。但當服務器機架達到 1 MW 功率級別時，50 V 直流母線需要承載的電流將達到 20,000 A，這一方案并不現實。因此，當前的第三代供電架構正向800 V 或 ±400 V 高壓直流（HVDC）母線遷移，將母線電流需求降至更易實現的 1.25 kA。

此外，在第三代架構中，包含 AC-DC 轉換器、BBU 或 CBU 的交直流電源架被移入側掛式電源柜（Sidecar）（圖 3）。每個側掛式電源柜將高壓直流電分配至每個服務器機架內的 HVDC 母線，再由母線將高壓直流電輸送給機架內每個服務器托盤的高轉換比中間母線轉換器（IBC）。

3. 第三代供電架構包含側掛式電源柜（Sidecar），將交流電轉換為高壓直流電，再分配給服務器機架內的中間母線轉換器（IBC）。

下一代第四代架構即將到來：側掛式電源柜將被移至配電室，從而釋放 IT 主機房的空間。此外，第四代架構將 AC-DC 轉換功能集成到固態變壓器中，由其實現交流降壓、功率因數校正（PFC）以及電壓轉換，進而獲得更高效率。

計算密度

當然，將電源組件移至側掛式電源柜、再將側掛式電源柜移至配電室，并不能消除這些組件本身占用的物理空間。德州儀器計算電源技術專家 Pradeep Shenoy 在一場視頻演講中評價道，側掛式方案 “釋放了 IT 機架內的寶貴空間，從而提升整體計算密度。” 其結果是在每個機架內密集部署更多處理器，最小化延遲，以優化大型 AI 模型的執行效率。

側掛式電源柜內部可搭載下一代 30 kW 服務器電源單元（PSU），如圖 4 所示。該設計采用三電平飛電容功率因數校正級與三角形連接的三相 LLC 級，將三相輸入轉換為 ±400 V 輸出。

4. 這款下一代 30 kW 電源單元（PSU）置于側掛式電源柜內，集成超過 20 顆德州儀器器件。

即便使用側掛式電源柜，部分電源組件（如中間母線轉換器 IBC）仍會保留在每個 IT 機架的 IT 托盤內部，而處理器穩壓器（VR）則位于處理器板卡上。申奧伊表示，傳統上這些穩壓器采用橫向供電（LPD）方案部署。在橫向供電方案中，穩壓器與處理器相鄰布置，可位于板卡頂部（圖 5，左上）或底部（圖 5，左下），電流在 PCB 層內通過走線橫向流動。