資料中心的“退熱貼”，誰有？
進入了物聯網時代的我們，或多或少都患上了電源焦慮症，不由自主地會去操心“智能”了的手機、手環、門鎖等設備，是否還有足夠的電可用。
這些在物聯網邊緣端的設備通常體積小，只能電池供電，電源系統的設計確實是個關鍵問題。不過，對於一般用戶來說，很多人並沒有意識到，在物聯網的另一端，也就是資料中心所在的雲端，所面臨的電源問題也同樣很值得“焦慮”，因為資料中心太費電了！
資料中心：能耗大戶
作為數位時代的“雲腦”，資料中心擔負了大量資料的處理和計算工作，而這種高密度資料處理背後，則是不斷攀升的耗電量。以中國為例，全國資料中心的耗電量的增速已連續8年超過12%——2017年，資料中心總耗電量就已經達到1200-1300千瓦時，這個數字超過了三峽大壩和葛洲壩電廠發電量之和；預計到2020年，這個數值將達到2962億千瓦時，2025年則會高達3842.2億千瓦時。
在全球範圍內，同樣的趨勢也在發生，有分析稱到2025年，資料中心將占到全球能耗的33%，位居能耗第一把交椅。而隨著AI人工智慧等需要更充沛算力支援的技術和應用的發展，實際的資料中心能耗增速，很可能比這個更快。
既然是耗電大戶，那麼考慮如何讓資料中心更省電，就成了人們努力的方向。為此，人們對資料中心的能耗構成進行了分析：
- 對於一個傳統的資料中心來說，IT設備的能耗最高，約占到總能耗的50%，這部分能耗是直接用來進行資料計算和處理的；
- 其次，製冷系統能耗占比約為35%，主要是在IT設備運行時為其降溫，確保其能夠在規定的工作溫度範圍為內正常工作；
- 接下來是配電系統的能耗，主要是UPS設備的能耗和電能在配電系統傳輸和變壓轉化過程中的損耗，約為10%；
- 最後一項是照明和其他資料中心配套支援系統的能耗，約占5%。
圖1：傳統資料中心的能耗構成
為資料中心“退熱”
在此基礎上人們又提出了一個衡量資料中心能源利用效率的指標PUE（(Power Usage Effectiveness)，其含義為資料中心全年總耗電量除以其中IT設備全年耗電量，也就是上述資料中心能耗構成中的1-4項總和與第1項數值之比。從這個定義可以看出，PUE越低則說明資料中心在IT設備以外消耗的電能越少, 越節能。
因此，如何將PUE的數值降下來，也就成了資料中心營運者和行業管理部門最操心的事情。比如在中國，2019年2月國家工信部、國家機關事務管理局和國家能源局三部委聯合發佈了《關於加強綠色資料中心建設的指導意見》，提出了“到2022年，資料中心平均能耗基本達到國際先進水準，新建大型、超大型資料中心的電能使用效率值達到1.4以下”的目標，而以前很多老舊資料中心的PUE普遍大於2，可見現實和理想之間的gap還是不小的。
從資料中心能耗結構中我們可以看出，想要顯著減低PUE，一個最直接的方法就是減少製冷系統的能耗，因為其在非IT設備能耗中占大頭。為此，人們也是煞費苦心，祭出了不少大招兒。比如採用散熱效率更高的液冷（水冷）方式，或者乾脆將資料中心建造在環境溫度較低的地區——甚至是在北極和海底……更高大上一些的做法還包括將AI技術引入到能耗管理中，穀歌就宣稱建立了PUE的神經網路模型，採用基於機器學習的資料中心能耗管理方法，將總的製冷功耗降低約40%, 從而使得資料中心的總功耗降低15%左右。
從IT設備的電源管理入手
不過上面這些大小招數，都有一個共同之處，就是消除資料中心IT設備運行過程中已經產生的熱量。而實際上除此之外，還有一個更為根本的措施，那就是從IT設備（比如伺服器）自身出發，通過有效的電源管理提升其能效，盡可能減少能量損耗所產生的熱量。只有在前端和源頭的工作做得更好，後續冷卻散熱處理的壓力才會更小。
半導體工藝的進步，是減少伺服器中擔負資料計算處理工作的IC能耗、提升其效率最基礎的方法。不過大家也知道，工藝進入納米級之後摩爾定律的推進速度日漸放緩，在有些方面可以說是舉步維艱，因此單單指望這一個方面的努力，肯定是無法滿足資料中心當下的節能增效之需的，因此我們還需要從其他一些細節之處去挖潛。
比如說伺服器中主處理器所需的電能，都是經過週邊的電源管理器件轉化處理後提供的，而以往由於這些電源管理器件的外形尺寸問題，無法將其放置在處理器晶片的附近，而從電源管理器件到處理器之間較長的佈線勢必會導致額外的功率損耗，產生更多的熱量。為此，就需要配套的電源管理器件朝向高效率和小型化的方向進行演進。
比如TDK新近開發的新款μPOL™ DC-DC轉換器，利用3D封裝技術將電源管理IC、電感器等元器件集成到一個僅為3.3 mm × 3.3 mm × 1.5 mm的封裝中，且能夠支援6A輸出電流，與其他同類產品相比，解決方案尺寸縮小了一半，而功率密度則高達1W/mm3。
圖2：採用3D封裝的μPOL™ DC-DC轉換器尺寸更小，能量密度更高（圖片來源：TDK）
這樣的小型化設計，使得μPOL™ DC-DC轉換器在系統設計時可以盡可能靠近負載點，避免了由於佈線距離長而產生的能耗。而且該器件自身還具有出色的散熱特性，可以貼裝在空氣流動不佳的電路板背部，從而進一步提高設計靈活性並節省整個系統所占的空間。
圖3：μPOL™ DC-DC轉換器與以往產品的比較（圖片來源：TDK）
未來世界將是資料驅動的，這已經成為了人們的共識；而為了實現這個目標，首先就要有足夠的能量去“驅動”這些資料，在這個方面人們的體認也在不斷深化。伴隨著這一發展過程的，是一系列電源管理技術的進步。考慮到資料中心在未來世界能耗結構中的地位，我們從電源管理中獲得的每1%或者是0.1%效率的提升，都會成為資料中心的“退熱貼”，為資料中心的“健康”運轉，乃至整個社會的節能減排做出貢獻。
