Les centres de données connaissent une augmentation annuelle de 16 % de leur consommation énergétique. Face à la demande croissante en matière de cloud computing, de réseaux sociaux, de multimédia et d'autres services informatiques, les organismes gouvernementaux et les entreprises commerciales devront consacrer environ 8 milliards de dollars par an à l'alimentation et au refroidissement de ces centres. Les serveurs et leurs systèmes de refroidissement représentent la majeure partie de cette consommation.
Les architectures d'alimentation des serveurs traditionnels atteignent les limites technologiques en matière d'efficacité énergétique. Certaines stratégies d'amélioration pourraient nécessiter une refonte complète de l'infrastructure électrique du centre de données afin de réduire la consommation d'énergie, mais cette solution est extrêmement coûteuse. La rénovation du bâtiment et de l'infrastructure du centre de données peut facilement coûter des dizaines de millions de dollars.
Des entreprises comme IDT se sont attaquées au problème en se concentrant sur l'efficacité énergétique globale des serveurs, sans modifier significativement l'infrastructure ni le bâtiment du centre de données. L'architecture d'alimentation haute efficacité d'IDT pour serveurs, appelée coolRAC (RAC pour Resonant AC), est une solution viable permettant de réaliser d'importantes économies d'énergie.
L'efficacité globale d'un serveur est mesurée depuis l'entrée d'alimentation CA jusqu'aux processeurs sur la carte mère, et ce, dans toute la baie. Les architectures de plateformes de serveurs ont généralement un rendement de conversion énergétique global de 80 % et utilisent souvent des composants coûteux. Autrement dit, environ 20 % de l'énergie consommée est perdue sous forme de chaleur. Avec des solutions comme coolRAC d'IDT, cette conversion peut être améliorée pour atteindre des rendements supérieurs à 90 %, réduisant ainsi les pertes d'énergie et les besoins en refroidissement associés. Comme coolRAC utilise l'infrastructure électrique existante des centres de données, cette technologie peut être facilement installée dans les centres existants sans nécessiter de coûteux travaux de rénovation des bâtiments.
Les serveurs montés en rack, dotés de plusieurs processeurs et d'une disponibilité maximale, consomment généralement plus de 70 % de l'énergie d'un centre de données. Par exemple, un grand centre de données de 50 000 serveurs peut consommer plus de 12 MW. En améliorant l'efficacité des serveurs grâce à la technologie coolRAC d'IDT, il est possible de réaliser des économies d'énergie directes de plus de 1 MW. Sur la base d'une estimation prudente de 0,10 $ par kWh, cela représente des économies directes de plus de 800 000 $ par an sur les coûts énergétiques. De plus, cette technologie contribue à augmenter le débit du centre de données. La technologie coolRAC utilise un courant d'entrée standard (220/480 V triphasé) et une distribution de courant alternatif haute fréquence (HF).
Concept CoolRAC avec distribution CA haute fréquence :
Pour optimiser l’efficacité globale du système, il est primordial d’améliorer le rendement des convertisseurs au point de charge (POL). Dans les architectures actuelles, les convertisseurs abaisseurs (buck) constituent la topologie de convertisseur POL la plus simple, la plus efficace et la plus économique. Cependant, les circuits intégrés numériques modernes exigent que le convertisseur POL fournisse un courant continu avec une tension de sortie d’environ 1 V. Par conséquent, un convertisseur abaisseur avec une tension d’entrée de 12 V CC aura un taux de conversion élevé et ne pourra donc pas atteindre un rendement élevé pour une tension de sortie de 1 V CC. L’importance d’améliorer le rendement au point de charge est illustrée dans les tableaux 1 et 2, qui comparent le rendement et les pertes de puissance de différentes architectures à des étages spécifiques.
Pour réduire le taux de conversion et augmenter le rendement du convertisseur polarisant (POL), la tension du bus d'entrée au niveau de la charge doit être diminuée. La figure 1 illustre une augmentation significative du rendement du POL obtenue uniquement par la réduction progressive de la tension du bus d'entrée de 12 V à 5 V.
L'efficacité pourrait être encore améliorée en utilisant des commutateurs en silicium de tension nominale inférieure. À coût comparable, les dispositifs fonctionnant à des tensions plus basses permettraient d'atteindre des niveaux d'efficacité encore plus élevés que ceux présentés sur la figure 1. Ceci s'explique par le prix inférieur par unité de surface de silicium, autrement dit, par la réduction de la résistance de conduction drain-source (Rdson) par unité de surface de silicium. De plus, selon l'application, un client pourrait privilégier la réduction des coûts du silicium si une efficacité élevée n'est pas essentielle, tout en améliorant significativement l'efficacité par rapport à un bus d'entrée de 12 V.
Compte tenu de la tendance actuelle de l'industrie à réduire les tensions d'alimentation d'entrée des circuits intégrés numériques modernes, tels que les processeurs, les processeurs graphiques, les ASIC et les mémoires, la réduction de la tension d'entrée au point de charge est devenue une préoccupation majeure pour les convertisseurs POL à haut rendement. Il apparaît que, pour les applications industrielles actuelles, une tension de bus d'entrée POL de 5 V CC constitue la solution optimale pour les systèmes serveurs. Cette faible tension d'entrée réduit considérablement le taux de conversion de tension et améliore l'efficacité énergétique. De plus, les composants de puissance avec une tension nominale de 5 V sont facilement disponibles sur le marché. Le rendement maximal de 96 % obtenu pour un convertisseur abaisseur 5 V CC vers 1,2 V CC, illustré sur la figure 1, a été démontré à l'aide de commutateurs en silicium d'une tension nominale de 30 V ; il serait possible de l'améliorer encore avec des composants fonctionnant sous 12 V.
Cependant, l'alimentation du point de charge en courant d'entrée à des tensions inférieures accroît les pertes dans l'infrastructure de distribution, rendant un système de distribution 5 V CC impraticable dans la plupart des cas. Des conceptions sophistiquées de cartes mères, incluant connecteurs, circuits imprimés et barres omnibus coûteuses, sont nécessaires pour atteindre une perte de puissance modeste de 2 % dans une architecture de distribution 12 V CC traditionnelle pour les systèmes serveurs haut de gamme. Passer à une tension de distribution de 5 V multipliera les pertes de puissance par plus de cinq.
La technologie coolRAC d'IDT fournit une basse tension au point de charge avec une efficacité énergétique maximale ; résolvant ainsi le conflit fondamental qui consiste à maximiser l'efficacité du convertisseur POL (qui nécessite une distribution à basse tension) et à minimiser les pertes dans le système de distribution d'énergie (qui nécessite une distribution à haute tension).
La figure 2 compare l'architecture de distribution 12 V CC la plus courante avec la solution coolRAC d'IDT. Elle illustre un système redondant composé de N alimentations frontales alimentant K unités de traitement.
Les deux architectures comportent un nombre identique d'étages de conversion de puissance. Le simple déplacement des redresseurs synchrones (RS) des alimentations vers les cartes mères permet d'obtenir une tension de distribution relativement élevée (par exemple, 50 V crête à crête). Ceci minimise les pertes dans le réseau de distribution. La tension alternative de distribution, définie par le rapport de transformation du transformateur, est très flexible, offrant ainsi une solution optimale et évolutive pour les systèmes serveurs aux besoins énergétiques variables.
De toute évidence, une architecture de distribution AC AF redondante présente des défis plus importants pour les concepteurs que les systèmes de distribution DC traditionnels, notamment en ce qui concerne la synchronisation des générateurs et le partage du courant nécessaire à des fonctions telles que la redondance des alimentations remplaçables à chaud. C'est la principale raison pour laquelle le marché n'a pas encore adopté le concept de distribution AC AF.
Depuis de nombreuses années, les experts reconnaissent les avantages de la topologie de distribution CA AF, mais sa mise en œuvre s'est avérée difficile en raison des contraintes liées au contrôle de plusieurs générateurs CA en parallèle et au développement d'un algorithme de commande efficace et fiable pour les redresseurs synchrones. Cependant, les progrès récents en matière de conversion analogique-numérique et de techniques de commande numérique ont fait de cette topologie une option intéressante sur le marché.
Compte tenu des différences fondamentales entre courant alternatif et courant continu, la distribution AC AF présente l'avantage supplémentaire, par rapport à la distribution DC, de pouvoir utiliser des composants de puissance réactive pour la régulation, en plus des composants de dissipation de puissance active. Grâce à l'utilisation de topologies résonantes dans l'architecture coolRAC décrite, les fonctions de connexion à chaud et de redondance peuvent être assurées sans avoir recours à des circuits de contrôle de courant OU ou de courant d'appel.
Bien entendu, tous ces avantages n'ont été possibles qu'après le développement de nouveaux algorithmes de contrôle numériques et analogiques et leur mise en œuvre dans de nouveaux circuits de contrôle intégrés afin de faire de cette nouvelle architecture de distribution AF AC un système viable et rentable.
Conclusion :
Les besoins en énergie électrique des centres de données continuent d’augmenter pour répondre à la demande croissante de capacité de traitement. Les serveurs étant les principaux consommateurs d’énergie d’un centre de données, l’amélioration de leur efficacité aurait l’impact le plus important sur les économies d’énergie, la réduction des besoins en refroidissement et la diminution des coûts.
L'architecture de bus intermédiaire coolRAC d'IDT est un exemple de solution d'alimentation pour serveurs qui améliore l'efficacité, réduit les pertes thermiques et, par conséquent, diminue la consommation d'énergie sans nécessiter de modifications majeures de la conception du centre de données. De nouvelles améliorations apportées aux composants en silicium, tels que les MOSFET 12 V pour les convertisseurs POL, permettront d'optimiser encore davantage l'efficacité globale du système.
Chaque année, plus de huit millions de serveurs sont installés dans le monde, et on estime que la consommation énergétique annuelle totale des systèmes de serveurs dépasse 60 milliards de kilowatts. À mesure que les responsables de centres de données prennent davantage conscience des besoins et des coûts liés à la croissance de leur entreprise, la consommation énergétique des serveurs deviendra un facteur déterminant pour choisir le système le plus efficace et le plus rentable.
