作者：Mark Adams CUI高級副總裁 新通訊 2016 年 3 月號 181 期《 封面故事 》

隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展增溫，數(shù)據(jù)傳輸、處理和儲存的需求亦成等比級數(shù)上升，進一步加劇電源基礎(chǔ)設(shè)施的負擔。軟件定義電源架構(gòu)能協(xié)助降低大型設(shè)備成本及優(yōu)化營運效率，因此，全面采用軟件定義架構(gòu)已成必然趨勢。

現(xiàn)今的生活方式和工作模式對數(shù)據(jù)儲存、存取、處理和分享的依賴程度越來越高。人們可藉由智能型數(shù)字設(shè)備隨意創(chuàng)造出各種內(nèi)容，并且透過因特網(wǎng)立即發(fā)布。當然，現(xiàn)代企業(yè)是在線數(shù)據(jù)的龐大用戶，而政府機構(gòu)則負責維護公共服務(wù)的安全性及其提供方法的質(zhì)量。

根據(jù)思科(Cisco)的資料，到2018年，數(shù)據(jù)中心(Data Center)的流量將會超過8.6皆字節(jié)(Zettabytes)，而且，行動數(shù)據(jù)流量的增長速度甚至?xí)^固定的IP流量，而邁向5G技術(shù)的發(fā)展還將會進一步加快此一趨勢的發(fā)展。

隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)演變?yōu)槿f物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Everything)，而且包括行動在內(nèi)的更多生活領(lǐng)域?qū)⒃絹碓蕉嗖捎秒娮臃绞絹砉芾?，因此對于?shù)據(jù)的依賴程度一定會越來越高。自動駕駛汽車將帶來一種對數(shù)據(jù)收集、分析、分享和儲存前所未有的需求，特別是眾多車輛和高速公路傳感器會從不同的角度監(jiān)視相同的事件(圖1)。

可以想象一個包含了數(shù)萬億個傳感器的未來世界，而且這些傳感器都將一直持續(xù)不斷地收集和傳遞數(shù)據(jù)。而且，一些急性子的消費者和實時服務(wù)(例如智慧駕駛)將要求實時響應(yīng)，這將進一步加劇基礎(chǔ)設(shè)施所承受的壓力。

對數(shù)據(jù)輸送、處理和儲存的需求正呈現(xiàn)永無止境的增長態(tài)勢，許多企業(yè)正努力地要跟上，同時還要竭力地控制營運成本。讓事情變得更糟的是，日常生活中各領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)服務(wù)的依賴程度越來越高，這意味著任何服務(wù)中斷的后果都將變得十分嚴重。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為整個世界現(xiàn)代化生活的基礎(chǔ)，當然必須保持最高可靠性和最長的正常工作時間。

值得一提的是，這些預(yù)測所提到的海量傳感器并非全部都是用來進一步增強現(xiàn)已十分舒適的生活方式。萬億傳感器峰會(TSensors Summit)等業(yè)界活動展示了數(shù)以萬億的聯(lián)網(wǎng)傳感器將如何用來協(xié)助世界上最貧困的地區(qū)解決食物、能源、水、衛(wèi)生健康和教育資源短缺等問題。

未來能源需求勢必日益殷切
對于現(xiàn)今的數(shù)據(jù)服務(wù)供貨商來說，最大的營運成本就是為計算機持續(xù)提供能源使其保持正常運行。數(shù)據(jù)中心營運商知道，在3年的典型服務(wù)器壽命周期內(nèi)，為一臺服務(wù)器供電所需的費用比購買整套硬件的費用還要高。

另外，為了保持所建議的工作溫度而使用空調(diào)等措施的費用，也在營運成本中占有很大比重。營運商渴望降低這些成本費用，甚至有意在寒冷氣候地區(qū)建立營運據(jù)點，比如有斯堪地那維亞半島(Scandinavia)和美國北部，這些地點的附近還有低成本且可靠的能源，像是水力發(fā)電機等。
現(xiàn)代化生活中隨時聯(lián)機的特性，意味著對于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的需求是極其動態(tài)的。例如，社交媒體能夠?qū)崟r發(fā)生的世界事件做出實時響應(yīng)，例如自然災(zāi)害或政治危機，甚至重大的體育賽事，這將會導(dǎo)致突發(fā)猛增的流量?；A(chǔ)設(shè)施需要在所有條件下以最佳效率來運行，并且處理好從最小到最活躍活動性的快速轉(zhuǎn)換，而不影響服務(wù)的可用性。邁向未來，自我調(diào)整電源管理將是滿足這個世界性的數(shù)據(jù)需求所不可或缺的要素。

提高電源管理效率 轉(zhuǎn)向軟件定義已成必然
數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師已經(jīng)成功地使用虛擬化技術(shù)來提高服務(wù)器的使用率，并且同時協(xié)助降低大型設(shè)備的成本以及為閑置服務(wù)器供電的支出。透過虛擬化技術(shù)，運算架構(gòu)就變成軟件可定義的，與此同時，電源設(shè)計也有所進展。

許多數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施營運商正在從相對缺少靈活性的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字電源，因為數(shù)字電源具有更強的適應(yīng)性，可確保最佳的效率。然而，也有人會以看待早期模擬產(chǎn)品差不多的眼光來看待數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這樣態(tài)度將導(dǎo)致數(shù)字轉(zhuǎn)換器無法完全發(fā)揮潛能的風(fēng)險，無法有效地提升效率和降低營運成本。對電源架構(gòu)來說，下一個合理的步驟是變成為軟件定義的架構(gòu)，以充分利用數(shù)字電源的適應(yīng)性，并且引入軟件控制方法，根據(jù)營運情況的變化持續(xù)地對電源進行管理。

對于電源設(shè)計和開發(fā)人員，以及數(shù)據(jù)中心營運商來說，軟件定義的電源架構(gòu)具有許多潛在的好處，在軟件級改變設(shè)計的能力，可望消除硬件設(shè)計的風(fēng)險，并且在未來加快完成項目的速度。幸運地，從模擬電源架構(gòu)向軟件定義電源的轉(zhuǎn)變可以很快且容易地實施，無須開發(fā)新的技術(shù)或設(shè)計硅智財(IP)。

在實際使用中，軟件定義的電源架構(gòu)將能夠克服數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員和營運商現(xiàn)今所面臨的諸多挑戰(zhàn)。考慮到半導(dǎo)體制程的變化引致各個電路板之間存在微小差異，數(shù)字電源架構(gòu)已經(jīng)允許透過精細調(diào)節(jié)中間總線和負載點輸出電壓，以優(yōu)化營運效率，且還可補償溫度變化的影響。

透過軟件處理這類調(diào)整，可以為數(shù)據(jù)中心帶來有價值的總體能源效率提升。然而，這僅僅是所實現(xiàn)改進中的一小部分。

軟件定義的電源架構(gòu)還可以帶來更進一步的效率提升，并且以降低在低需求期間對電源的壓力，以及實施預(yù)測性維護，來協(xié)助改善其他性能參數(shù)，例如可靠性和正常工作時間。此外，軟件定義的電源架構(gòu)可以透過啟動或禁用電源來快速滿足需求，并且藉由調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓來獲得最佳的效率。

現(xiàn)今的處理器根據(jù)所施加的處理負載，以自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(Adaptive Voltage Scaling, AVS)技術(shù)來自動調(diào)節(jié)電源需求。在輕負載情況下，可以將電源電壓和運作頻率減少到執(zhí)行任務(wù)所需的最小值。

最新1.3版本PMBus標準已經(jīng)加入了對自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)總線(Adaptive Voltage Scaling Bus, AVSBus)的支持，PMBus標準是一種針對電源設(shè)備之間通訊用的開放式標準協(xié)議。除了先前可用的PMBus指令外，對AVSBus的支持也可以讓處理器自動調(diào)節(jié)合適的負載點(POL)輸出電壓。
自動調(diào)節(jié)電源架構(gòu)以確保在不斷變化的情況下達到最佳運作效率，不僅可以在電源中最大限度地減小能源轉(zhuǎn)換損耗，還可以最大限度地降低對主動式冷卻系統(tǒng)的需求，結(jié)果可減少如托盤風(fēng)扇(Tray Fan)和服務(wù)器房間空調(diào)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)所消耗的能源。

除了節(jié)省能源外，降低對冷卻的需求之后，還可以騰出更多空間來安裝服務(wù)器、交換機或線路卡。

同時，軟件定義的電源架構(gòu)還可因可靠性的提高而受益。連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓以保持最佳的效率，并且最大限度地減少熱的產(chǎn)生，這些都可減少施加在中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)和POL轉(zhuǎn)換器上的應(yīng)力，最終，軟件定義的電源架構(gòu)還能最大限度地減少由于電源故障所引起的停機時間。

開放式標準PMBus成廠商最愛
在連接性的催化之下，電源轉(zhuǎn)換器從一個個的孤島改變成為協(xié)作系統(tǒng)中的一個個單元，這種協(xié)作系統(tǒng)可對中央控制器的指令產(chǎn)生反應(yīng)；而此一中央控制器則是位于軟件定義的電源架構(gòu)之核心。開放式標準PMBus是理想的媒介，PMBus兼容的前端交流對直流(AC-DC)電源、數(shù)字POL和IBC產(chǎn)品早已推出市場，對剛開始要為客戶建立軟件定義電源架構(gòu)的電源供貨商而言，它們將發(fā)揮關(guān)鍵性的推動作用(圖2)。

在加值型的供電應(yīng)用領(lǐng)域中，軟件定義電源正快速地獲得采用，在這些系統(tǒng)中，數(shù)字電源的特性同時為設(shè)計公司和最終用戶帶來經(jīng)濟上的優(yōu)勢。
不過，設(shè)計團隊需要時間來建立模型和開發(fā)算法，才能夠充分利用軟件定義供電技術(shù)所提供的強大能力。某些團隊可能會先在電路板級實施軟件控制，之后再將機架和大功率轉(zhuǎn)換級部分帶入軟件定義的架構(gòu)中。另一方面，某些團隊可能從大功率級開始設(shè)計，然后將軟件控制向前擴展至機架和電路板級。

此外，早期的控制算法可能比較簡單，只須根據(jù)少數(shù)幾個參數(shù)來預(yù)測，但隨著時間的演變，由于要對更大的數(shù)據(jù)集進行更詳細的分析，所以算法也會變得越來越復(fù)雜。

隨著對這些技術(shù)的熟悉程度增加，以及那些已經(jīng)驗證、可在后續(xù)項目中快速且高效地再次使用之設(shè)計的數(shù)目也不斷地在增加，未來的設(shè)計人員將能夠很快地交付新的項目，并且將精力集中在開發(fā)額外的加值功能，其中可能包括預(yù)測性維護，這將有助于提升主要的性能標準，例如正常運作時間，同時透過降低設(shè)備更換率來減少大型設(shè)備的成本支出。

CUI已經(jīng)在3kW PSE-3000等前端交流對直流電源中實施PMBus連接性，以及在Novum系列數(shù)字IBC和非隔離型直流對直流(DC-DC)數(shù)字POL轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)了PMBus連接性。以業(yè)界標準協(xié)議與電壓轉(zhuǎn)換器進行通訊的能力，可以讓設(shè)計人員建構(gòu)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字控制電源架構(gòu)。

IBC備有多種標準模塊尺寸，并且支持動態(tài)總線電壓(Dynamic Bus Voltage, DBV)，動態(tài)總線電壓可以隨著負載情況的改變來調(diào)節(jié)IBC電壓，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。

電壓的設(shè)置可以經(jīng)由PMBus設(shè)置或透過安裝在IBC而且建基于安謀國際(ARM)的整合式微控制器上的電源優(yōu)化韌體(Power-optimizing Firmware)來完成。就像在負載點的AVS一樣，在IBC級的DBV在最大化效率方面極有成效，因它可利用調(diào)節(jié)功率包絡(luò)(Power Envelope)來適應(yīng)負載條件，進而最大限度地減少所浪費的能源。

除了設(shè)置IBC電壓外，PMBus接口還可進行電壓余量、故障管理、精密延時爬升和啟動/停止等的中央控制。Novum POL轉(zhuǎn)換器可以讓PMBus指令控制與IBC模塊相似的功能，并且可以實現(xiàn)軟件控制的電壓排序和跟蹤。

為了要說明自動適應(yīng)電源架構(gòu)可能實現(xiàn)的節(jié)能效果，這里假設(shè)把一個平均效率達到95%的前端交流(AC)/直流(DC)電源，運作效率為93%的IBC，以及一個運作效率為88%的負載點組成起來。在所有三個轉(zhuǎn)換器上，22.2%的輸入功率會以熱量形式散發(fā)。

如果每級效率只增加1%，能源耗散可以削減至19.6%，這相當于12%的提升，可說是非常顯著的效率增長，另外，減少冷卻負載還可節(jié)省更多的能源。

廠商攜手合作　完備PMBus標準
隨著軟件定義的電源架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心和電訊管理局變得普及，業(yè)界必須依賴來自不同供貨商的電源模塊之間的互操作性。雖然PMBus在一定程度上實現(xiàn)了模塊間連接的標準化，但是某些指令的解釋是開放的，當與不同制造商的轉(zhuǎn)換器共享時，就有可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。

為克服這個問題，由CUI、愛立信電源(Ericsson Power Modules)和村田(Murata)所組成的AMP Group(現(xiàn)代電源架構(gòu))攜手合作，除將外形尺寸和引腳配置等機械細節(jié)標準化外，也在包括PMBus指令響應(yīng)等的軟件方面進行標準化(圖3)。