綠色環保意識抬頭 伺服器電源節能設計需求高漲
近年來行動裝置與物聯網快速發展，掀起科技業的一波雲端資料中心建置的熱潮，並帶動伺服器(Server)的需求；但是，資料中心業者在大量採購、建置硬體設備的同時，亦面臨高漲的部署成本，以及用電量增加的挑戰，使得硬體設備節能效果更加受到重視。
據了解，許多電源晶片商已紛紛提出新式解決方案，以因應伺服器節能設計趨勢。例如引進數位電源(Digital Power)技術，用以即時監控與調整電源供應狀態；或是提出嶄新的48伏特(V)電源設計架構，提高功率轉換效益，協助資料中心業者降低耗電量。
另一方面，低導通電阻的新式寬能隙元件–氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)，也可實現較高電源轉換效率。各家廠商不遺餘力推出高轉換效率、小體積，以及較低成本的解決方案，以卡位伺服器電源市場的龐大商機。
高效/高整合/低成本 數位電源一次搞定
要讓伺服器電源節能，數位電源仍是廠商首選。因為其同時擁有高性能(High Performance)、高效能(High Efficiency)、低成本，以及高整合度(Higher Integration)的特性，可將伺服器電源設計面臨的挑戰一網打盡(圖1)。
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| 圖1 數位電源可克服伺服器電源設計所面臨的挑戰。 |
安森美(ON Semiconductor)亞太區電源切換事業群資深行銷經理林志弘(圖2)認為，伺服器若是想要節能，採用數位電源方案仍然是未來趨勢。此解決方案可將不同的電源輕易的整合在一起，變成一組電源；且其擁有較佳的電源管理優勢。
據了解，複雜的電源設計，如中央處理器(CPU)可能需要三至六相的電源，搭配上二至三個電源軌(Power Rail)，在複雜且不同的電源軌和相數配合的要求之下，數位電源都能做出最好的搭配方式。
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| 圖2 安森美亞太區電源切換事業群資深行銷經理林志弘認為，採用數位電源方案仍是伺服器未來節能趨勢。 |
林志弘補充，透過數位電源的通用設計平台(Common Design Platform)，可讓同樣的硬體因為不同的軟體輸入而做出不同改變；如此一來，可節省業者的成本花費，以及研發支出。
此外，透過數位電源設計可減少外部零組件的需求，進而降低業者的花費成本。對此林志弘解釋，透過數位電源的方式設置，外部迴路可變得較為簡易，所以零組件配置數量即可減少，在這個微利的時代，此舉也是讓成本降低的方式之一，對客戶來說也是較為有利的選擇。
另外一方面，數位電源可達到增值(Value Added)的效果。因為透過數位電源的數位控制可輕鬆打造出客製化的產品，以滿足客戶多元化的要求。
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| 圖3 英飛凌電源管理及多元電子事業處資深主任工程師劉宜遠表示，數位電源解決方案也可讓電路板擁有較高的性能表現。 |
對於數位電源帶來的優點，英飛凌(Infineon)電源管理及多元電子事業處資深主任工程師劉宜遠(圖3)也表示，數位電源除了可降低物料清單成本外，也擁有較易使用的圖形用戶介面(GUI)，且透過此種圖形用戶介面可優化電源設計。
劉宜遠補充，數位電源解決方案也可讓電路板(PCB)擁有較高性能表現，例如有較好的暫態響應(Transient Response)，且讓精度(Accuracy)更高，並擁有最高的功率密度(Power Density)。
此外，該解決方案具有雜訊免除力(Noise Immunity)，並可用以監控溫度、容差(Tolerances)，以及容易受到老化(Aging)影響的外部零組件，進而讓系統更具有可靠度。
相較於傳統的類比電源(Analog Power)解決方案，數位電源可較容易實現穩壓器省電功能。舉例來說，其可自動切相(Auto Phase-Shedding)，並透過個別Function Block加以省電；另外其採用脈衝頻率調變(Pulse-Frequency Modulation, PFM)可降低操作頻率。
至於目前是否有其他解決方案能與數位電源並駕齊驅，劉宜遠說明，該解決方案目前仍是CPU穩壓器的主流選擇，而且往後好幾年可能會成為CPU穩壓器的首選。但是，現在開始出現新式48V的電源架構，此種電源架構可能暫時無法與數位電源搭配。
慎選電源模組 提高轉換能力
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| 圖4 神雲科技泰安產品事業體系統產品部系統整合處經理羅啟榮表示，選擇合宜的電源模組可滿足伺服器電源節能的要求。 |
若是資料中心早已建置完成，硬體設備大抵上已經很難更改，但為了因應未來的競爭，業者必須尋找新動能、提高空間密度，以及提供最大的散熱條件，以降低電力損耗。
神雲科技泰安產品事業體系統產品部系統整合處經理羅啟榮(圖4)表示，伺服器系統節能的因應對策，應該要慎選零件力求其可低耗能且提供高效率；並讓伺服器擁有良好的散熱能力。
除此之外，也應該選擇對的「能源夥伴」，也就是選擇合宜的電源模組。羅啟榮說明，資料中心業者應選擇空間密度高的模組(例如185mm×80mm×40mm，或是220mm×50mm×40mm)；其可提供90%以上的電源轉換效率(80PLUS白金牌認證)(圖5)；該模組須能支援PMBus 1.2通訊溝通的能力，最重要的是其架構要能方便售後維護。
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| 圖5 80PLUS白金牌認證 |
羅啟榮認為，由於近幾年來地球溫度升高造成聖嬰現象，人們開始致力於減少排碳量，而電也是一種消費的能量，是造成溫室效應的元兇之一，許多國家仍藉由燃燒煤炭等發電，降低用電量，有助於降低燃煤量。也因此，業界對伺服器店員的環保意識日益高漲。
再加上過去幾年出現能源危機，造成油價高漲，雖然因為油頁岩的開發而暫時解除，但若再發生時，將改變資料中心營運成本，影響投資報酬率，為了預防下一次的能源危機可能帶來的衝擊，業者必須尋求較為節能的電源架構。且為了因應未來競爭，伺服器電源架構須能減少耗電、縮小空間占比，並增加工作密度。
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| 圖6 恩智浦資深應用工程師林宗義表示，在現今「Non Stop」的世界中，冗餘電源系統的需求只會增加不會減少。 |
選用或環電晶體 RPS更省電
選用或環電晶體 RPS更省電
冗餘電源系統(Redundant Power System, RPS)對於現今的伺服器應用來說，就像是二十四小時不打烊的便利商店，也就是說這些應用不容許系統斷電，RPS即可確保伺服器的供電不會中斷。
恩智浦(NXP)資深應用工程師林宗義(圖6)表示，冗餘電源系統的需求只會增加不會減少。舉例來說，前陣子有聽聞通訊軟體因為伺服器斷線兩個小時，不但讓使用者有不好的體驗，新聞報導也相繼出現，所以在現今「Non Stop」的世界中，這個需求只會變多不會變少。
以往的冗餘電源系統採用蕭特基二極體(Schottky Diode)，雖然該項材料成本較為便宜，但是功耗大，且發熱情況嚴重，須再加大其散熱片，導致占用體積過於龐大；所以為了因應電源節能趨勢，現在已改用或環電晶體(Oring FET)(圖7)，其導通電阻Rds,on可選用1mΩ以下，即可輕鬆解決功耗問題。
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| 圖7 或環電晶體結構 |
舉例來說，假如使用Rds,on=1mΩ的MOSFET，同樣流過20安培(A)至負載，或環電晶體功率損耗僅為0.4瓦(W)；相較於過去的蕭特基二極體，其損耗高達9W，Oring FET不只具備功耗，也可省下額外的散熱片成本，讓產品體積得以縮小。
林宗義認為，選擇或環電晶體的考量為其須能耐壓(例如工作電壓、工作電流，以及包裝對應的溫升等)，並擁有較好的阻抗。
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| 圖8 英飛凌電源管理及多元電子事業處應用工程師洪士恆表示，新式材料可有效的縮小系統體積，並提高能源效率。 |
據了解，冗餘電源是一種可作為部分交換機的外置直流供電電源。此種電源通常使用於伺服器、工業電腦與安全監控等應用中，是由兩個完全一樣的電源組成，由晶片控制電源進行負載均衡。即便其中一個電源故障，另一個電源可馬上接管工作。除了伺服器外，磁碟陣列系統應用也非常廣泛。
另一方面，新式基材也是近年來受到關注的方向。目前伺服器電源供應器功率元件的選擇仍以高功率密度為主要考量，開關損耗(Switching Loss)，以及整體傳導損耗(Conduction Loss)最為重要，如此一來即能減少伺服器的操作體積，並且提高元件的散熱性。最近熱門的新式應用材料氮化鎵(GaN)即能達到此效果。
英飛凌電源管理及多元電子事業處應用工程師洪士恆(圖8)表示，新式材料可有效的縮小系統體積，並提高能源效率，未來無論是伺服器電源，抑或是工業電源，皆可望看見其應用。
省電/高效益 48V電源架構異軍突起
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| 圖9 Vicor資深應用技術工程師楊有承表示，雖然48V電源架構建置成本較高，但可提供較好的能源效益。 |
在眾多伺服器電源節能的方法中，48V的電源架構應算是較為特別的方式。其為XPA架構，造就48V的輸出電流較小，所以可讓傳輸損耗降低，損耗較小相對的效益即可提升，讓電力成本降低。
Vicor資深應用技術工程師楊有承(圖9)表示，資料中心業者廠商以宏觀角度來看，資料中心業者較在乎資料中心每天的營運成本。
楊有承指出，一開始採用48V的電源架構，建置成本一定較傳統12V來得高，由於其架構花費較高，但是其每一年省下的電費一定較12V多，48V架構是藉由省下來的電費去補償一開始的高建置成本。
此外，若以總效益來看，從AC進來到負載點(POL)，12V配電架構效率大約為87%，而48V的效益大約是88.7%(圖10)，雖然差異只有大約1%，但整座資料中心實際計算下來，可節省下的電費將非常高。
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| 圖10 12V與48V電源架構比較 |
據了解，市面上的48V電源方案大多只能滿足5A、10A電流不大的I/O裝置；而要能夠滿足如伺服器這種大電流(100A或是200A)的產品，只有Vicor能夠提供相應解決方案。
良好測試驗證 確保伺服器高效/省電
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| 圖11 致茂電子產品工程師蔡誌元表示，除了基礎檢測之外，市面上常遇到的電源問題也會是相關各家業者的測試重點。 |
除了擁有好的技術、材料，以追求節能高效的伺服器電源之外，也需要良好的測試驗證，以確認該產品是否有達到預期的效果與規格；目前常見的測試項目，包含了輸入/出端特性、時序與控制訊號、保護特性，以及通訊功能等測試。
致茂電子產品工程師蔡誌元(圖11)表示，現在的電源測試並沒有特定的法規規範，除了能源使用效率方面有80 PLUS的各級認證規範外，其餘測試項目皆由各家業者評估市場上會遇到何種問題，並在實驗室中便預先將問題解決。
舉例來說，各家業者除了會驗證基本的效能之外，市場上真實會遇到的電源問題也會是相關各家業者的測試重點。
另一方面，為了確保伺服器電源在任何情況下都能順利供電，其通常會搭載不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)，以防伺服器或資料中心因為電力不足而無法運作。
以往的電源或是相關元件的技術並不完善，所以為了確保電力系統供電穩定，大多都會採用在線式(On-Line)不斷電系統，也就是說沒有旁路(Bypass)的選擇，直接由逆變器(Inverter)直接供給電力給伺服器電源。
蔡誌元補充，但有別於以往，當今的電源技術、材料越做越好，再加上在線式不斷電系統在轉換時會產生某些程度的能量損失，為講求環保與節能，開始出現Upply的UPS系統架構。該架構可在交流電(AC)供電正常時，經由Bypass迴路供電；而在斷電時，由於瞬間斷電時，會有一段微秒級的斷電時間，該架構即可以支撐伺服器電源不至於掉載。
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| 圖12 能源之星(ENERGY STAR)標章 |
據了解，致茂公司的AC Power Source可輕鬆編輯出UPS的輸出方波。且該公司的電子負載使用者自訂編輯(User Defined Waypoint)，可協助客戶如遇到伺服器電源掉載的情況，工程師毋須隨身攜帶量測儀器檢測，只須請現場人員使用示波器將輸出波形記錄下，帶回實驗室即可還原電流。
隨著節能風潮興起，歐美國家逐漸對伺服器能源效率有所要求。在能源效率方面，美國最著名便是能源之星(ENERGY STAR)(圖12)標章。消費者若是購買有得到該認證的伺服器，可確保該產品的最低效率要求與品質。
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| 圖13 德國萊因電子電器產品服務事業處專案經理李宗翰表示，有得到能源之星標章的廠商，得到美國政府補助，且市場曝光率較高。 |
德國萊因(TUV)電子電器產品服務事業處專案經理李宗翰(圖13)表示，雖然目前美國政府仍無強制要求伺服器電源皆須符合該規範，但若是有得到該認證標章的廠商，可得到政府的補助，並且較容易得到政府標案，且市場曝光率較高。
李宗翰補充，美國的第一步是對於得到能源之星的廠商有所補助，而接下來該國能源部(DOE)有可能打算開始強制要求伺服器須符合能源規範。屆時便有助於消費者在使用產品的同時，也可減少電費的支出，進而達到環保的效果。
據了解，台灣廠商若是想得到能源之星的認證，毋須將樣品送至美國驗證；國內的認證公司也有提供相關的檢測服務。
