【FPGA电源技术专辑】智能化数字电源: 下一代数据中心的理想搭档

近年来，随着互联网和计算机技术的发展，基于互联网提供的各种服务也变得越来越多。作为这些互联网应用服务载体的数据中心，其建设需求也在不断增加。特别是近几年来，我国三大运营商和IT企业都投入了大量的资金用于数据中心的建设。目前，全国已经形成了至少数百家大小不一的数据中心。

高密度已成为服务器设计的一个重要因素。摩尔定律已经使人们有可能将多个高性能内核集成到一个单一的系统级芯片(SoC)。高密度的现场可编程门阵列(FPGA)为应用加速和集成提供了进一步的可能性。将FPGA芯片部署在每个逻辑板系统内，可以提供强大的计算潜能并显著降低系统功耗。然而，为了实现更高的集成度，更新的工艺技术促使芯片的供电核电压进一步降低，并提高了对其精度控制和负载瞬态响应的要求，对服务器中的配电线路和架构产生一系列影响。

其中的一个趋势是增加电源的开关频率，以降低峰值电流需求，这有助于将无源元件的尺寸如电容器减少到最小，并通过一系列电路设计技术减少对开关损耗的影响。

数据中心的供电系统庞大而复杂，它是由UPS系统、后备电池系统、监控配电系统组成第一级供电;由AC/DC电源转换、低压DC/DC变换、板上监控等组成第二级供电，其中第二级供电中的DC/DC是和系统的大板集成在一起的，直接给CPU/FPGA/SSD供电，所以要求其效率高、可靠、尺寸小以及具备智能调压和监控功能。

图1：数据中心和服务器

数据中心第二级供电的架构

数据中心的第二级供电系统一般由AC/DC电源模块得到12V并传输给系统的背板，控制功能板、硬盘板通过背板取电并互通信号，具体供电架构如图2。其中控制功能板上有CPU/FPGA以及DDR等一系列功能芯片，一般有几百瓦的功耗。其中给core电压供电时，由于电流比较大，一般从12V直接转换，而其它电压采用IBA(中间总线架构)从5V往下转换。另外，在服务器上SSD应用中，Enpirion 5V产品因为其尺寸小，集成度高，被几个SSD主控器厂家如SandForce、OCZ、Corsair、LSI等广泛采用。此外，给板上DDR颗粒的VTT供电的EV1340QI/EV1380QI也广受用户青睐。

图2：数据中心第二级供电架构

数据中心第二级供电的要求

数据中心的第二级供电要求包括以下几点：

1.小尺寸——现在服务器的容量越来越大，单板上要搭载两颗CPU、一到两片

ASIC/FPGA/CPLD等芯片，还有大量的内层条和接口端子，留给电源芯片的空间非常紧张。尤其是母板上的嵌入式子卡板(比如FPGA PCIE接口加速卡或者PCIE接口SDD)，其单板的高度往往要求限制在5mm，普通的外置电感的电源的电感高度一般都在5～10mm，很难满足。Altera Enpirion PowerSoC的高度最小仅1mm，12A的产品也只有3mm高度，从而让布局非常灵活方便。据Altera Enpirion电源中国区资深技术支持专家凌俊杰介绍，正是得益于这些优势，目前Enpirion模块在服务器行业主流厂家例如浪潮、曙光中均有突破。

图3：服务器母板/FPGA PCIE加速卡/SSD板

2.智能调压功能——给CPU/ASIC/FPGA核电压供电需要低压大电流，甚至达到150A以上，

需要供电系统能够跟随芯片工作实现静态和动态调压以降低功耗。Altera Enpirion EM21X0系列产品应运而生，其可以在18*20*5mm的体积上实现30A输出电流，并集成了电感，并可以通过多相并联向更大的功率扩展。EM21X0通过Altera专利的SmartVID总线和负载芯片或者上位机通讯实现对供电电压调节，电源运行状态上报等功能。

图4：EM11X0框图

3. 能源管理功能——数据通信系统一直在提高数据吞吐量和其他系统性能，同时也面临降

低系统总体功耗的压力。例如，通过重新安排工作流程，将程序转移到未得到充分利用的服务器上，使得其他服务器能够停机，以此来降低总体功耗。如果采用数字电源管理系统，这种系统可以为用户提供实时以及日常的功耗数据，方便作出明智的能源管理决策。由于服务器背板上电压通过中间总线电压转换，并通过负载点POL DC/DC转换至子电路所需的电压和工作电流，这些不同的电压轨对排序、电压准确度、精度调节以及监控都有更为严格的要求，使得问题更加复杂。因此，客户需要一种简单的方法来改进系统，针对每个DC/DC转换器优化系统性能和存储特定配置值，通过PMBus报警线路将故障通知主机，从而关断问题电路，以保护主芯片等供电器件，实现准确的微秒级响应时间保护，从总体上来简化设计工作。

总结：

Altera于2015年8月份被Intel收购， 成为Intel的PSG事业部。据Altera Enpirion中国区业务发展经理张伟超介绍，Intel已经明确表示后续将继续加大对Enpirion的投资，Enpirion电源在进一步支持好FPGA的性能提升的同时，还将继续延伸Intel CPU的应用，更好地服务于Intel数据中心和广泛的IOT产品。Enpirion的产品路标将进一步满足数据中心产品和工业智能物联网的需求。有理由相信，在不久的将来，大家会在中国市场上发现更多Enpirion的应用。