Le architetture di alimentazione tradizionali dei server stanno raggiungendo i limiti tecnologici dell'efficienza energetica. Alcune strategie per migliorare l'efficienza potrebbero richiedere la riprogettazione dell'intera infrastruttura di alimentazione del data center per ridurre il consumo energetico, ma questa soluzione è proibitivamente costosa. La riprogettazione dell'edificio e dell'infrastruttura del data center può facilmente costare decine di milioni di dollari.

Aziende come IDT hanno affrontato il problema concentrandosi sull'efficienza energetica complessiva del sistema server, senza modificare in modo significativo l'infrastruttura o l'edificio del data center. L'architettura di alimentazione ad alta efficienza di IDT per server, nota come coolRAC (RAC sta per Resonant AC), è una soluzione valida in grado di offrire un notevole risparmio energetico.
L'efficienza complessiva del server viene misurata dall'alimentazione CA in ingresso ai processori sulla scheda madre e in tutto il rack. Le architetture delle piattaforme server hanno in genere un'efficienza di conversione energetica complessiva dell'80% e spesso utilizzano componenti costosi. Questo significa, in parole semplici, che circa il 20% dell'energia consumata viene dispersa sotto forma di calore. Con soluzioni come coolRAC di IDT, questa conversione può essere migliorata per raggiungere efficienze superiori al 90%, riducendo così le perdite di energia e i relativi requisiti di raffreddamento. Poiché coolRAC utilizza l'infrastruttura elettrica esistente dei data center, questa tecnologia può essere facilmente integrata nei centri esistenti senza la necessità di costosi interventi di ristrutturazione.

I server montati su rack con processori multipli e tempi di inattività minimi consumano in genere oltre il 70% dell'energia di un data center. Ad esempio, un grande data center con 50.000 server può consumare più di 12 MW di potenza. Migliorando l'efficienza dei server con la tecnologia coolRAC di IDT, è possibile ottenere un risparmio energetico diretto di oltre 1 MW. Sulla base di una stima prudenziale di 0,10 dollari per kWh, ciò equivale a un risparmio diretto di oltre 800.000 dollari all'anno sui costi energetici. Inoltre, contribuisce ad aumentare la produttività del data center. La tecnologia coolRAC utilizza una corrente di ingresso standard (220/480 V CA trifase) e una distribuzione CA ad alta frequenza (HF).

Concetto CoolRAC con distribuzione CA ad alta frequenza:
per ottenere il massimo effetto sull'efficienza complessiva del sistema, il primo passo è quello di affrontare l'efficienza dei convertitori point-of-load (POL). Nelle architetture attuali, i convertitori buck si sono dimostrati la topologia di convertitore POL più semplice, efficiente ed economica. Tuttavia, i moderni circuiti integrati digitali richiedono che il convertitore POL fornisca una corrente continua con una tensione di uscita di circa 1 V. Di conseguenza, un convertitore buck con una tensione di ingresso CC di 12 V avrà un elevato tasso di conversione e, pertanto, non sarà in grado di raggiungere un'elevata efficienza per una tensione di uscita CC di 1 V. L'importanza di migliorare l'efficienza point-of-load è mostrata nelle Tabelle 1 e 2, che confrontano l'efficienza e le perdite di potenza per diverse architetture in fasi specifiche.

Per ridurre il tasso di conversione e aumentare l'efficienza del POL, è necessario diminuire la tensione del bus di ingresso nel punto di carico. La Figura 1 mostra un notevole aumento dell'efficienza del POL con la sola modifica di ridurre la tensione del bus di ingresso a passi da 12 V a 5 V.

L'efficienza potrebbe essere ulteriormente aumentata utilizzando interruttori al silicio con una tensione nominale inferiore. I dispositivi con tensioni inferiori raggiungerebbero, a un costo comparabile, livelli di efficienza ancora più elevati rispetto a quelli mostrati in Figura 1. Ciò è dovuto al prezzo inferiore per unità di superficie del silicio, o in altre parole, alla ridotta resistenza di conduzione drain-source (Rdson) per unità di superficie del silicio. Inoltre, a seconda dell'applicazione, un cliente potrebbe scegliere di risparmiare sui costi del silicio se l'elevata efficienza non è un requisito fondamentale, pur migliorando significativamente l'efficienza rispetto a un bus di ingresso a 12 V.

Considerata la tendenza del settore a ridurre le tensioni di alimentazione in ingresso nei moderni circuiti integrati digitali, come CPU, GPU, ASIC e memorie, la riduzione della tensione di ingresso al punto di carico è diventata una priorità per i convertitori POL ad alta efficienza. Sembra che per le attuali applicazioni industriali, una tensione del bus di ingresso POL di 5 VDC rappresenti la soluzione ottimale per i sistemi server. Questa bassa tensione di ingresso riduce significativamente il tasso di conversione della tensione e aumenta l'efficienza energetica. Inoltre, i componenti di potenza con una tensione nominale di 5 V sono facilmente reperibili sul mercato. L'efficienza di picco del 96% per un convertitore buck da 5 VDC a 1,2 VDC, mostrata in Figura 1, è stata dimostrata utilizzando interruttori al silicio con una tensione nominale di 30 V, e sarebbe possibile aumentarla ulteriormente con dispositivi con tensione nominale di 12 V.

Tuttavia, fornire la corrente di ingresso al punto di carico a tensioni inferiori aumenta le perdite nell'infrastruttura di distribuzione, rendendo un sistema di distribuzione a 5 V CC impraticabile nella maggior parte dei casi. Per ottenere una modesta perdita di potenza del 2% in una tradizionale architettura di distribuzione a 12 V CC per sistemi server di fascia alta, sono necessari progetti di schede backplane sofisticati, inclusi connettori, circuiti stampati backplane e costose sbarre collettrici. Modificare la tensione di distribuzione a 5 V aumenterebbe le perdite di potenza di oltre cinque volte.

La tecnologia coolRAC di IDT fornisce una bassa tensione al punto di carico con la massima efficienza energetica, risolvendo così il conflitto fondamentale tra la massimizzazione dell'efficienza del convertitore POL (che richiede una distribuzione a BASSA tensione) e la minimizzazione delle perdite nel sistema di distribuzione dell'energia (che richiede una distribuzione ad ALTA tensione).

La Figura 2 confronta la più comune architettura di distribuzione a 12 V CC con la soluzione coolRAC di IDT. Mostra un sistema ridondante con N alimentatori front-end che alimentano K unità di elaborazione.
Chiaramente, entrambe le architetture sono costituite da un numero uguale di stadi di conversione di potenza. Il semplice spostamento dei raddrizzatori sincroni (SR) dagli alimentatori alle schede madri consente di ottenere una tensione di distribuzione ragionevolmente elevata (ad esempio, 50 V picco-picco). Ciò riduce al minimo le perdite nel mezzo di distribuzione. La tensione CA di distribuzione, definita dal rapporto di spire del trasformatore, è estremamente flessibile, consentendo una soluzione ottimale e scalabile per sistemi server con requisiti di alimentazione variabili.

Ovviamente, l'architettura di distribuzione AC AF ridondante presenta maggiori sfide per i progettisti rispetto ai tradizionali sistemi di distribuzione CC, come la sincronizzazione dei generatori e la condivisione della corrente necessaria per funzioni quali la ridondanza degli alimentatori hot-swappable. Questo è il motivo principale per cui il mercato non ha generalmente adottato il concetto di distribuzione AC AF.

Da molti anni, gli esperti riconoscono i vantaggi della topologia di distribuzione CA AF, ma la sua implementazione si è rivelata impraticabile a causa delle difficoltà nel controllare più generatori CA in parallelo e nello sviluppare un algoritmo di controllo efficiente e affidabile per i raddrizzatori sincroni. Tuttavia, i recenti progressi nella conversione analogico-digitale e nelle tecniche di controllo digitale hanno reso questa topologia un'opzione interessante sul mercato.

Date le differenze fondamentali tra corrente alternata e corrente continua, la distribuzione di corrente alternata offre l'ulteriore vantaggio, rispetto alla distribuzione di corrente continua, di poter utilizzare componenti di potenza reattiva per la regolazione, oltre ai componenti di dissipazione di potenza attiva. Utilizzando topologie risonanti nell'architettura coolRAC descritta, è possibile fornire funzioni di hot-plug e ridondanza senza la necessità di circuiti OR o di controllo della corrente di spunto.

Naturalmente, tutti questi vantaggi sono stati possibili solo dopo aver sviluppato nuovi algoritmi di controllo digitali e analogici e averli implementati in nuovi circuiti di controllo integrati, rendendo così questa nuova architettura di distribuzione di corrente alternata AF un sistema valido ed economicamente vantaggioso.

Conclusione:
Il fabbisogno energetico dei data center continua ad aumentare per soddisfare la crescente domanda di capacità di elaborazione. Poiché i server consumano la maggior parte dell'energia in un data center, migliorare l'efficienza dei server avrebbe il maggiore impatto sul risparmio energetico, sulla riduzione del fabbisogno di raffreddamento e sulla riduzione dei costi.

L'architettura bus intermedio coolRAC di IDT è un esempio di soluzione di alimentazione per server che aumenta l'efficienza, riduce le perdite di calore e di conseguenza diminuisce il consumo energetico senza richiedere modifiche sostanziali alla progettazione del data center. Ulteriori miglioramenti ai dispositivi al silicio, come i MOSFET a 12 V per i convertitori POL, consentiranno un'efficienza complessiva del sistema ancora maggiore.

Ogni anno, in tutto il mondo vengono installati oltre otto milioni di server e si stima che il consumo energetico annuo totale dei sistemi server superi i 60 miliardi di kilowatt. Man mano che i responsabili dei data center diventano più consapevoli delle esigenze di crescita e dei costi delle proprie aziende, il consumo energetico dei server diventerà un fattore chiave nella scelta del sistema più efficiente ed economicamente vantaggioso.

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