德州儀器：大數(shù)據(jù)中心的痛點，竟能如此解決？

  ICC訊 2020年新冠疫情暴發(fā)以來，遠程辦公、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 -- 大數(shù)據(jù)中心作為新基建七大領(lǐng)域之一的重要性進一步提升。

  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)項目，建設(shè)周期和投資回報周期非常漫長，具有一條很長的產(chǎn)業(yè)鏈，包括服務(wù)器、路由器、交換機、光模塊，還有電源、軟件、網(wǎng)絡(luò)、機房等。顯然這是一個門檻相當高的領(lǐng)域。 與龐大的建設(shè)成本相比，之后的運營成本更讓運營者頭疼，其中電費占到了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傳輸，這些要求使得系統(tǒng)設(shè)計復雜度更高。 第三個方向則是大型化和集群化時代的到來，會給產(chǎn)品運維帶來諸多挑戰(zhàn)，要求產(chǎn)品提高可靠性并且IT運維盡量簡化。 因此，德州儀器(TI)區(qū)域銷售經(jīng)理Rui認為，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。

  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的標準自2007年生效以來，從黃金升級到鉑金以及如今的鈦金，對于電源轉(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拓撲提高PSU的效率。但軟開關(guān)無橋圖騰柱的缺點是控制復雜、驅(qū)動和零電流檢測電路成本高，而且硅MOSFET的體二極管反向恢復速度較慢，使得圖騰柱PFC不能有效地在連續(xù)導通模式工作，而具有良好高頻工作的氮化鎵(GaN)技術(shù)可以更好地實現(xiàn)無橋圖騰柱PFC設(shè)計。 TI提供LMG3422R030，這是TI GaN的最新一代產(chǎn)品，具有集成驅(qū)動、保護和報告功能。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鈦金標準，同時實現(xiàn)更高的功率密度和可靠性。

  除了PSU之外，針對FPGA、CPU、GPU等負載的多相供電設(shè)計也存在著諸多挑戰(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，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，這就需要更復雜的控制器。

  另外，額外的相位也會增加BOM成本和PCB面積。 多相供電功能主要包括了功率級與控制器，TI通過提供優(yōu)化適配的智能功率級與高性能控制器共同解決多相供電設(shè)計的難點。 首先，針對高集成度的智能功率級(Smart Power Stage)產(chǎn)品，將電流檢測功能、驅(qū)動器和MOSFET進行了統(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CSD95485，支持英特爾VR12.x和VR13.x的臺式機和服務(wù)器，針對高功率、高密度同步降壓轉(zhuǎn)換器中的使用進行了高度優(yōu)化。集成了驅(qū)動器集成電路和功率MOSFET，來完善功率級開關(guān)功能。此外，還集成了溫度感測功能以簡化系統(tǒng)設(shè)計并提高準確度。

  而對于控制器來說，TPS53688是與之配合的，兼容 VR13.HC SVID 的雙通道無驅(qū)動器多相(最多8相)同步降壓控制器。具有高級控制特性(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 運行情況下進行單相運行，從而提高輕負載情況下的效率。 當TI控制器與NexFET功率級配合使用時，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圖形界面進行修改與調(diào)整，相比模擬方案設(shè)計和調(diào)試更加靈活。

  簡化數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

  PCIe是目前用途最廣泛的數(shù)據(jù)交換總線，由于PCIe擔負著數(shù)據(jù)交換的重要作用，因此其標準升級也是最快更迭的。然而，PCIe的高速信號在通過長的PCB走線或線纜進行傳輸時，面臨著保持信號完整性的重大挑戰(zhàn)，客戶一方面需要選擇低損耗的材料，另外則需要信號調(diào)節(jié)元件以改善傳輸路徑，在 PCle 4.0中，信號調(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，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的標準PCIe數(shù)據(jù)速率。它用于擴展高速 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。電源多路復用電路可以在主電源軌和備用電源軌之間做出自動選擇或切換。TI的負載開關(guān)和eFuse產(chǎn)品組合為用戶提供了靈活的電源多路復用解決方案。TI的eFuse產(chǎn)品系列符合UL 2367和IEC 62368-1安全認證，最大支持電流可高達70A。

  而相對于離散的保險絲和PTC不同，eFuse具有更準確的電流限制，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，因此非常適合數(shù)據(jù)中心的遠程維護需求?？蓮V泛應(yīng)用于電源軌、硬盤、風扇和PCIe外設(shè)等保護，從而大大提升了系統(tǒng)的可靠性。 TPS25982是具有精確負載電流監(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)在線路和負載瞬變期間不間斷運行，而不會影響故障保護的穩(wěn)健性。該器件可配置為在故障關(guān)閉后保持閉鎖或自動重試，這使遠程系統(tǒng)能夠自動從臨時故障中恢復，同時確保電源不會因持續(xù)的故障而無限期地承受應(yīng)力。

  除了痛點，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，除了上述幾項產(chǎn)品之外，包括TI第二代GaN器件、單向負載電源、中低速I2C擴展、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、采購、備貨等方方面面。 同時，TI在中國有北京，上海，深圳三個研發(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。

  移動互聯(lián)網(wǎng)時代帶來數(shù)據(jù)的激增。都說數(shù)據(jù)是數(shù)字時代的石油，那么大數(shù)據(jù)中心就相當于煉油設(shè)備，從中挖掘出更多服務(wù)信息技術(shù)以及數(shù)字社會的價值。 如今TI已深耕中國35年，在數(shù)據(jù)洪流到來之時，TI始終如一通過提供齊全的模擬和嵌入式產(chǎn)品、強大的本地制造研發(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) (納斯達克股票代碼：TXN) 是一家全球化的半導體公司，致力于設(shè)計、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體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，創(chuàng)造一個更美好的世界。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、更實惠，從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。