德州儀器：大數(shù)據(jù)中心的痛點(diǎn)，竟能如此解決？

  ICC訊 2020年新冠疫情暴發(fā)以來，遠(yuǎn)程辦公、在線教育、生鮮電商、無人配送等大量新商業(yè)模式得到了飛速發(fā)展，而這些業(yè)務(wù)模式背后顯然帶來了更大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生和流動(dòng) -- 大數(shù)據(jù)中心作為新基建七大領(lǐng)域之一的重要性進(jìn)一步提升。

  然而，目前全球40%的數(shù)據(jù)中心集中在美國，這幾乎是中國的五倍。很顯然，中國互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)量是遠(yuǎn)高于美國的，這意味著中國有著潛力巨大的大數(shù)據(jù)中心市場以及發(fā)展前景。但是，大數(shù)據(jù)中心建設(shè)是典型的重資產(chǎn)項(xiàng)目，建設(shè)周期和投資回報(bào)周期非常漫長，具有一條很長的產(chǎn)業(yè)鏈，包括服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、光模塊，還有電源、軟件、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房等。顯然這是一個(gè)門檻相當(dāng)高的領(lǐng)域。 與龐大的建設(shè)成本相比，之后的運(yùn)營成本更讓運(yùn)營者頭疼，其中電費(fèi)占到了50%以上，具體的比例主要取決于各數(shù)據(jù)中心的能效水平。

  高能耗問題成為數(shù)據(jù)中心的痛中之痛。 從技術(shù)角度上講，隨著數(shù)據(jù)吞吐量不斷增加、任務(wù)也呈現(xiàn)多元化發(fā)展，不但需要處理器的性能不斷提升，處理器也因此呈現(xiàn)多樣性，除傳統(tǒng)CPU外，包括FPGA、GPU、Arm等開始廣泛應(yīng)用，供電系統(tǒng)需要盡可能滿足不同處理器類型。其次需要高帶寬低延遲的信號(hào)傳輸，這些要求使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度更高。 第三個(gè)方向則是大型化和集群化時(shí)代的到來，會(huì)給產(chǎn)品運(yùn)維帶來諸多挑戰(zhàn)，要求產(chǎn)品提高可靠性并且IT運(yùn)維盡量簡化。 因此，德州儀器(TI)區(qū)域銷售經(jīng)理Rui認(rèn)為，我國數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展將突出表現(xiàn)在綠色化、智能化、大型化+集群化這三大方向。而一直以來，TI在數(shù)據(jù)中心所涉及的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有著非常大的持續(xù)投入， TI也在依托自身的技術(shù)支持中國新基建的發(fā)展，幫助解決大數(shù)據(jù)中心所遇到的痛點(diǎn)。

  更高能效、更高功率密度的電源轉(zhuǎn)換

  數(shù)據(jù)中心所消耗的電能幾乎都是由市電交流電轉(zhuǎn)換而來。交流輸入首先被整流，然后被PFC電路調(diào)整到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓水平。下游的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換成服務(wù)器需要的低壓直流電壓，之后再進(jìn)行下一步直流電壓轉(zhuǎn)換，用于內(nèi)存、處理器等的核心供電電壓。 實(shí)現(xiàn)綠色化中最重要的就是要減少電源轉(zhuǎn)換過程中所消耗的電能。 在PSU行業(yè)，能源之星80PLUS的標(biāo)準(zhǔn)自2007年生效以來，從黃金升級(jí)到鉑金以及如今的鈦金，對(duì)于電源轉(zhuǎn)換效率的要求一再提升。然而由于傳統(tǒng)硅MOSFET的性能接近極限，效率提高的速度正在放緩。

  業(yè)界開始采用無橋圖騰柱PFC拓?fù)涮岣逷SU的效率。但軟開關(guān)無橋圖騰柱的缺點(diǎn)是控制復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)和零電流檢測電路成本高，而且硅MOSFET的體二極管反向恢復(fù)速度較慢，使得圖騰柱PFC不能有效地在連續(xù)導(dǎo)通模式工作，而具有良好高頻工作的氮化鎵(GaN)技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)無橋圖騰柱PFC設(shè)計(jì)。 TI提供LMG3422R030，這是TI GaN的最新一代產(chǎn)品，具有集成驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和報(bào)告功能。這種高集成度支持較低的共源電感和引線電感，非常適合高頻操作，從而降低柵極和開關(guān)損耗以提高效率。此外，該器件采用緊湊的SMD封裝，具有低寄生引線效應(yīng)，這使得器件非常穩(wěn)定可靠。這些獨(dú)特的特性使電源工程師能夠輕松滿足服務(wù)器PSU的高能效需求，如80PLUS鈦金標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和可靠性。

  除了PSU之外，針對(duì)FPGA、CPU、GPU等負(fù)載的多相供電設(shè)計(jì)也存在著諸多挑戰(zhàn)，其中相位管理的難度是最大的。電流必須在相位之間均勻平衡，以避免對(duì)任一相位產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力，并提供最佳的紋波消除。同時(shí)，必須在瞬態(tài)期間快速添加或移除相位，以最大程度減少輸出電壓偏移，這就需要更復(fù)雜的控制器。

  另外，額外的相位也會(huì)增加BOM成本和PCB面積。 多相供電功能主要包括了功率級(jí)與控制器，TI通過提供優(yōu)化適配的智能功率級(jí)與高性能控制器共同解決多相供電設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。 首先，針對(duì)高集成度的智能功率級(jí)(Smart Power Stage)產(chǎn)品，將電流檢測功能、驅(qū)動(dòng)器和MOSFET進(jìn)行了統(tǒng)一封裝，從而提供更高的電流檢測精度，消除無源元件等。例如TI的同步降壓NexFET?功率級(jí)CSD95485，支持英特爾VR12.x和VR13.x的臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器，針對(duì)高功率、高密度同步降壓轉(zhuǎn)換器中的使用進(jìn)行了高度優(yōu)化。集成了驅(qū)動(dòng)器集成電路和功率MOSFET，來完善功率級(jí)開關(guān)功能。此外，還集成了溫度感測功能以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高準(zhǔn)確度。

  而對(duì)于控制器來說，TPS53688是與之配合的，兼容 VR13.HC SVID 的雙通道無驅(qū)動(dòng)器多相(最多8相)同步降壓控制器。具有高級(jí)控制特性(例如具有重疊脈沖的D-CAP+?架構(gòu))支持下沖衰減 (USR) 和過沖衰減 (OSR)，可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、最低輸出電容和高效率。該器件還支持在CCM 和 DCM 運(yùn)行情況下進(jìn)行單相運(yùn)行，從而提高輕負(fù)載情況下的效率。 當(dāng)TI控制器與NexFET功率級(jí)配合使用時(shí)，該總體解決方案可提供超高速度和低開關(guān)損耗。由于多相電源產(chǎn)品采用了數(shù)字方案，支持PMBUS，可以通過GUI圖形界面進(jìn)行修改與調(diào)整，相比模擬方案設(shè)計(jì)和調(diào)試更加靈活。

  簡化數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

  PCIe是目前用途最廣泛的數(shù)據(jù)交換總線，由于PCIe擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)交換的重要作用，因此其標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)也是最快更迭的。然而，PCIe的高速信號(hào)在通過長的PCB走線或線纜進(jìn)行傳輸時(shí)，面臨著保持信號(hào)完整性的重大挑戰(zhàn)，客戶一方面需要選擇低損耗的材料，另外則需要信號(hào)調(diào)節(jié)元件以改善傳輸路徑，在 PCle 4.0中，信號(hào)調(diào)節(jié)功能首次被直接寫入到基本 PCle 規(guī)格中。 TI提供了Redriver和Retimer兩類產(chǎn)品，并且具有Pin to Pin兼容的特點(diǎn)，可根據(jù)用戶具體應(yīng)用需求而靈活選擇。 DS160PR810是一款高性能八通道PCIe 4.0 Redriver，支持16 Gbps的標(biāo)準(zhǔn)PCIe數(shù)據(jù)速率。它用于擴(kuò)展高速 PCIe 串行鏈路的范圍和穩(wěn)健性。具有可編程性，能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的靈活性并提高通道的總體性能。

  簡化運(yùn)維

  數(shù)據(jù)中心必須維持關(guān)鍵操作和數(shù)據(jù)傳輸，隨著數(shù)據(jù)中心的功率越來越大，對(duì)系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn)也越來越大，因此備用電源是必需的。電源多路復(fù)用電路可以在主電源軌和備用電源軌之間做出自動(dòng)選擇或切換。TI的負(fù)載開關(guān)和eFuse產(chǎn)品組合為用戶提供了靈活的電源多路復(fù)用解決方案。TI的eFuse產(chǎn)品系列符合UL 2367和IEC 62368-1安全認(rèn)證，最大支持電流可高達(dá)70A。

  而相對(duì)于離散的保險(xiǎn)絲和PTC不同，eFuse具有更準(zhǔn)確的電流限制，響應(yīng)速度更快，并且可以在沒有用戶干預(yù)的情況下恢復(fù)，因此非常適合數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程維護(hù)需求?？蓮V泛應(yīng)用于電源軌、硬盤、風(fēng)扇和PCIe外設(shè)等保護(hù)，從而大大提升了系統(tǒng)的可靠性。 TPS25982是具有精確負(fù)載電流監(jiān)測和可調(diào)節(jié)瞬態(tài)故障管理功能的 2.7V 至 24V、2.7mΩ、15A eFuse?？梢酝ㄟ^區(qū)分瞬態(tài)事件和實(shí)際故障來智能地管理過流響應(yīng)，從而允許系統(tǒng)在線路和負(fù)載瞬變期間不間斷運(yùn)行，而不會(huì)影響故障保護(hù)的穩(wěn)健性。該器件可配置為在故障關(guān)閉后保持閉鎖或自動(dòng)重試，這使遠(yuǎn)程系統(tǒng)能夠自動(dòng)從臨時(shí)故障中恢復(fù)，同時(shí)確保電源不會(huì)因持續(xù)的故障而無限期地承受應(yīng)力。

  除了痛點(diǎn)，還有什么?

  為了更好地支持中國新基建大數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，TI正在盡可能為服務(wù)器系統(tǒng)提供更為全面的解決方案，除了上述幾項(xiàng)產(chǎn)品之外，包括TI第二代GaN器件、單向負(fù)載電源、中低速I2C擴(kuò)展、溫度傳感器、電流傳感器等，方便客戶一站式選擇，簡化用戶設(shè)計(jì)、采購、備貨等方方面面。 同時(shí)，TI在中國有北京，上海，深圳三個(gè)研發(fā)中心，TI和國內(nèi)主流的OEM服務(wù)器商都有合作，同時(shí)也與國內(nèi)外主流的ASIC供應(yīng)商合作，開發(fā)適合的供電系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。

  移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶來數(shù)據(jù)的激增。都說數(shù)據(jù)是數(shù)字時(shí)代的石油，那么大數(shù)據(jù)中心就相當(dāng)于煉油設(shè)備，從中挖掘出更多服務(wù)信息技術(shù)以及數(shù)字社會(huì)的價(jià)值。 如今TI已深耕中國35年，在數(shù)據(jù)洪流到來之時(shí)，TI始終如一通過提供齊全的模擬和嵌入式產(chǎn)品、強(qiáng)大的本地制造研發(fā)能力、遍布全國的產(chǎn)品分銷及銷售網(wǎng)絡(luò)，幫助中國數(shù)字新生代的開拓者們解決難題與挑戰(zhàn)。

  關(guān)于德州儀器(TI)

  德州儀器 (TI) (納斯達(dá)克股票代碼：TXN) 是一家全球化的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。