隨著數(shù)據(jù)中心為滿足日益增長(zhǎng)的工作負(fù)載需求而在單位面積內(nèi)集成更多計(jì)算能力，如何為各類IT設(shè)備、冷卻技術(shù)及其他建筑系統(tǒng)供電，正逐漸成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。麥肯錫預(yù)測(cè)，2023年至2030年間全球數(shù)據(jù)中心容量需求將以每年19%至22%的速度增長(zhǎng)，達(dá)到171至219千兆瓦的規(guī)模。

這種激增主要由人工智能工作負(fù)載驅(qū)動(dòng)。相比傳統(tǒng)應(yīng)用，AI工作負(fù)載的能耗明顯更高，從而加速了對(duì)熱效應(yīng)緩解方案的需求——因?yàn)樵诟邢薜目臻g內(nèi)部署更高功率，必然會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)。電力分配、備用系統(tǒng)及熱管理領(lǐng)域的新進(jìn)展，展現(xiàn)了新興工程解決方案應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)電力需求的能力。在本文中，我們將探討提升現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心能效與散熱效率的新方法和解決方案。

01基于ORV3的供電分配革新

由開(kāi)放式計(jì)算項(xiàng)目（OCP）制定的ORV3規(guī)范正重塑數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)。該規(guī)范通過(guò)定義可擴(kuò)展且高度適配的機(jī)架供電架構(gòu)，推動(dòng)了從12V直流向48V直流供電的演進(jìn)。更高的電壓在提升效率的同時(shí)，也增加了數(shù)據(jù)中心單位面積的功率密度，從而緩解了空間限制對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)造成的困擾。

在這一轉(zhuǎn)變下，機(jī)架內(nèi)采用48V母線進(jìn)行電力分配，服務(wù)器直接從母線取電。通過(guò)消除12V轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，設(shè)施整體效率得以提升，傳輸過(guò)程中的能量損耗也相應(yīng)減少。通過(guò)省去為每臺(tái)服務(wù)器配備獨(dú)立電源，該架構(gòu)釋放了機(jī)內(nèi)空間，使服務(wù)器能夠直接由48V母線供電。這種整合減少了組件數(shù)量，簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，并提高了每臺(tái)機(jī)架內(nèi)的功率密度。

此外，向48V直流供電的轉(zhuǎn)變不僅僅是能源效率的漸進(jìn)式提升，更由于電壓提升，在相同功率輸出下可降低電流需求，進(jìn)而減小導(dǎo)線尺寸并降低電阻損耗。對(duì)于企業(yè)級(jí)規(guī)模的設(shè)施而言，這些效率提升將在數(shù)千個(gè)機(jī)架中產(chǎn)生累積效應(yīng)。ORV3規(guī)范提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化框架，既保障供應(yīng)商間的互操作性，又為運(yùn)營(yíng)商提供靈活的系統(tǒng)配置空間。Molex PowerPlane母線連接器以及PowerPlane OCP ORV3線纜組件作為組件創(chuàng)新的前沿成果，專為滿足此類架構(gòu)需求而設(shè)計(jì)。

02計(jì)可靠的備用電源系統(tǒng)

將電網(wǎng)電力輸送至服務(wù)器是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，而構(gòu)建電網(wǎng)故障冗余方案則創(chuàng)造了新的工程機(jī)遇。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，不間斷電源（UPS）必須調(diào)用電池組和發(fā)電機(jī)填補(bǔ)缺口，且切換過(guò)程需無(wú)縫銜接以避免服務(wù)中斷。因?yàn)閷?duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，持續(xù)運(yùn)行始終是首要任務(wù)。

在線雙變換式UPS系統(tǒng)因能提供瞬時(shí)、純凈且穩(wěn)定的電力，目前成為首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這類系統(tǒng)持續(xù)將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電用于電池充電和系統(tǒng)運(yùn)行，隨后再將直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵?。該雙重轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠隔離負(fù)載與電網(wǎng)干擾，并在斷電情況下實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)換時(shí)間。

UPS的性能在很大程度上取決于每個(gè)連接點(diǎn)的電阻值。降低接觸電阻可減少熱損耗和電壓損耗，從而提升可靠性和能效。根據(jù)Molex 2023年《電力現(xiàn)狀》調(diào)查報(bào)告顯示，40%的數(shù)據(jù)中心工程師將電源管理（包括電路保護(hù)、開(kāi)關(guān)設(shè)備和電池系統(tǒng)）列為極嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

2023年調(diào)查中關(guān)于電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)或?qū)嵤┟媾R極大挑戰(zhàn)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的受訪者反饋（圖源：Molex）

為高電流密度和低接觸電阻而設(shè)計(jì)的組件，通過(guò)確保在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)可靠的電力傳輸，解決了這一問(wèn)題。Molex推出創(chuàng)新型電源管理解決方案，將這些電氣參數(shù)作為核心規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)峰值效率與可靠性。

03應(yīng)對(duì)冷卻挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心約40%的用電量用于冷卻，因此熱管理成為了設(shè)施運(yùn)營(yíng)中的一項(xiàng)重要成本支出。面對(duì)如此巨大的功耗，工程師與流體化學(xué)家正著力提升冷卻效率，以減少能源成本和環(huán)境影響。

浸沒(méi)冷卻技術(shù)作為新興解決方案，與傳統(tǒng)的空氣冷卻系統(tǒng)相比，不僅提高了能源效率，還減少了冷卻設(shè)備的占地面積。該技術(shù)通過(guò)將服務(wù)器浸沒(méi)于介電液體中直接吸收組件熱量，消除了對(duì)空氣處理設(shè)備的需求，使系統(tǒng)在進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移時(shí)無(wú)需高負(fù)荷運(yùn)行，從而降低能耗，并在相同占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高效的散熱。

此外還有單相和雙相浸沒(méi)冷卻方案，以及直接芯片液冷（DTC）技術(shù)。這些液體冷卻方法可將數(shù)據(jù)中心的能效比（PUE）提升至1.03至1.2之間，而風(fēng)冷系統(tǒng)的能效比則維持在1.2至2.0之間。PUE指標(biāo)通過(guò)對(duì)比設(shè)施總功耗與IT設(shè)備功耗來(lái)衡量能效，數(shù)值越低代表能效越高。理論上，PUE值為1.0表示極佳的能效狀態(tài)，但由于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的能量損耗，這一理想狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)。例如，將PUE從2.0降至1.2，可實(shí)現(xiàn)40%的設(shè)施能耗削減。

無(wú)論采用何種冷卻方式——空氣冷卻、DTC或浸沒(méi)冷卻——用于冷卻硬件的連接器都必須滿足嚴(yán)格的環(huán)境要求。這些連接器必須能在惡劣條件下使用，并密封防潮，以防止腐蝕和電氣故障。高功率和高溫使得可靠性成為持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。若連接器無(wú)法承受溫度或濕度變化，即使是微小的故障也可能迅速蔓延至整個(gè)系統(tǒng)。

04規(guī)模化高效設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心工程師們正在探索新的效率提升途徑——不是通過(guò)調(diào)整現(xiàn)有系統(tǒng)，而是從根本上重新構(gòu)思電力、備用電源和冷卻系統(tǒng)的整體架構(gòu)。這種新思路的核心包括：采用48V直流供電系統(tǒng)以降低轉(zhuǎn)換損耗；配備低接觸電阻連接器的在線雙變換式UPS系統(tǒng)，以確保電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的供電質(zhì)量；以及采用浸沒(méi)式冷卻技術(shù)，從而降低熱管理帶來(lái)的能耗負(fù)擔(dān)。

當(dāng)下踐行這些設(shè)計(jì)理念的工程師，將能同時(shí)滿足當(dāng)前效率目標(biāo)和未來(lái)增長(zhǎng)需求。每次技術(shù)進(jìn)步都在更嚴(yán)格的功耗和熱量限制下提升了計(jì)算能力。隨著工作負(fù)載需求的持續(xù)增長(zhǎng)，特別是人工智能應(yīng)用的快速擴(kuò)展，這些解決方案正不斷拓展可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)邊界。