PMBus開放式標準做後盾　軟體定義電源發展後勢看俏

根據思科(Cisco)的資料，到2018年，資料中心(Data Center)的流量將會超過8.6皆位元組(Zettabytes)，而且，行動資料流量的增長速度甚至會超過固定的IP流量，而邁向5G技術的發展還將會進一步加快此一趨勢的發展。

隨著物聯網(Internet of Things)演變為萬物聯網(Internet of Everything)，而且包括行動在內的更多生活領域將越來越多採用電子方式來管理，因此對於資料的依賴程度一定會越來越高。自動駕駛汽車將帶來一種對資料收集、分析、分享和儲存前所未有的需求，特別是眾多車輛和高速公路感測器會從不同的角度監視相同的事件(圖1)。

圖1 萬物聯網正滲透到幾乎每一種應用，預計將會造成一個擁有數萬億個感測器的未來世界，所有這些感測器都會不斷持續地收集、分享和分析資料。

可以想像一個包含了數萬億個感測器的未來世界，而且這些感測器都將一直持續不斷地收集和傳遞資料。而且，一些急性子的消費者和即時服務(例如智慧駕駛)將要求即時回應，這將進一步加劇基礎設施所承受的壓力。

對資料輸送、處理和儲存的需求正呈現永無止境的增長態勢，許多企業正努力地要跟上，同時還要竭力地控制營運成本。讓事情變得更糟的是，日常生活中各領域對資料服務的依賴程度越來越高，這意味著任何服務中斷的後果都將變得十分嚴重。網路和資料中心已經成為整個世界現代化生活的基礎，當然必須保持最高可靠性和最長的正常工作時間。

值得一提的是，這些預測所提到的海量感測器並非全部都是用來進一步增強現已十分舒適的生活方式。萬億傳感器峰會(TSensors Summit)等業界活動展示了數以萬億的聯網感測器將如何用來協助世界上最貧困的地區解決食物、能源、水、衛生健康和教育資源短缺等問題。

未來能源需求勢必日益殷切

對於現今的資料服務供應商來說，最大的營運成本就是為電腦持續提供能源使其保持正常運行。資料中心營運商知道，在3年的典型伺服器壽命週期內，為一台伺服器供電所需的費用比購買整套硬體的費用還要高。

另外，為了保持所建議的工作溫度而使用空調等措施的費用，也在營運成本中占有很大比重。營運商渴望降低這些成本費用，甚至有意在寒冷氣候地區建立營運據點，比如有斯堪地那維亞半島(Scandinavia)和美國北部，這些地點的附近還有低成本且可靠的能源，像是水力發電機等。

現代化生活中隨時連線的特性，意味著對於資料基礎設施的需求是極其動態的。例如，社交媒體能夠對即時發生的世界事件做出即時回應，例如自然災害或政治危機，甚至重大的體育賽事，這將會導致突發猛增的流量。基礎設施需要在所有條件下以最佳效率來運行，並且處理好從最小到最活躍活動性的快速轉換，而不影響服務的可用性。邁向未來，自我調整電源管理將是滿足這個世界性的資料需求所不可或缺的要素。

提高電源管理效率 轉向軟體定義已成必然

資料中心架構師已經成功地使用虛擬化技術來提高伺服器的使用率，並且同時協助降低大型設備的成本以及為閒置伺服器供電的支出。透過虛擬化技術，運算架構就變成軟體可定義的，與此同時，電源設計也有所進展。

許多資料中心和網路基礎設施營運商正在從相對缺少靈活性的類比技術轉向數位電源，因為數位電源具有更強的適應性，可確保最佳的效率。然而，也有人會以看待早期類比產品差不多的眼光來看待數位轉換器，這樣態度將導致數位轉換器無法完全發揮潛能的風險，無法有效地提升效率和降低營運成本。對電源架構來說，下一個合理的步驟是變成為軟體定義的架構，以充分利用數位電源的適應性，並且引入軟體控制方法，根據營運情況的變化持續地對電源進行管理。

對於電源設計和開發人員，以及資料中心營運商來說，軟體定義的電源架構具有許多潛在的好處，在軟體級改變設計的能力，可望消除硬體設計的風險，並且在未來加快完成專案的速度。幸運地，從類比電源架構向軟體定義電源的轉變可以很快且容易地實施，無須開發新的技術或設計矽智財(IP)。

在實際使用中，軟體定義的電源架構將能夠克服資料中心設計人員和營運商現今所面臨的諸多挑戰。考慮到半導體製程的變化引致各個電路板之間存在微小差異，數位電源架構已經允許透過精細調節中間匯流排和負載點輸出電壓，以最佳化營運效率，且還可補償溫度變化的影響。

透過軟體處理這類調整，可以為資料中心帶來有價值的總體能源效率提升。然而，這僅僅是所實現改進中的一小部分。

軟體定義的電源架構還可以帶來更進一步的效率提升，並且以降低在低需求期間對電源的壓力，以及實施預測性維護，來協助改善其他性能參數，例如可靠性和正常工作時間。此外，軟體定義的電源架構可以透過啟動或禁用電源來快速滿足需求，並且藉由調節系統電壓來獲得最佳的效率。

現今的處理器根據所施加的處理負載，以自我調整電壓調節(Adaptive Voltage Scaling, AVS)技術來自動調節電源需求。在輕負載情況下，可以將電源電壓和運作頻率減少到執行任務所需的最小值。

最新1.3版本PMBus標準已經加入了對自我調整電壓調節匯流排(Adaptive Voltage Scaling Bus, AVSBus)的支援，PMBus標準是一種針對電源設備之間通訊用的開放式標準協定。除了先前可用的PMBus指令外，對AVSBus的支援也可以讓處理器自動調節合適的負載點(POL)輸出電壓。

自動調節電源架構以確保在不斷變化的情況下達到最佳運作效率，不僅可以在電源中最大限度地減小能源轉換損耗，還可以最大限度地降低對主動式冷卻系統的需求，結果可減少如托盤風扇(Tray Fan)和伺服器房間空調系統冷卻系統所消耗的能源。

除了節省能源外，降低對冷卻的需求之後，還可以騰出更多空間來安裝伺服器、交換機或線路卡。

同時，軟體定義的電源架構還可因可靠性的提高而受益。連續調節系統電壓以保持最佳的效率，並且最大限度地減少熱的產生，這些都可減少施加在中間匯流排轉換器(IBC)和POL轉換器上的應力，最終，軟體定義的電源架構還能最大限度地減少由於電源故障所引起的停機時間。

開放式標準PMBus成廠商最愛

在連線性的催化之下，電源轉換器從一個個的孤島改變成為協作系統中的一個個單元，這種協作系統可對中央控制器的指令產生反應；而此一中央控制器則是位於軟體定義的電源架構之核心。開放式標準PMBus是理想的媒介，PMBus相容的前端交流對直流(AC-DC)電源、數位POL和IBC產品早已推出市場，對剛開始要為客戶建立軟體定義電源架構的電源供應商而言，它們將發揮關鍵性的推動作用(圖2)。

圖2 在軟體定義電源架構中，開放式標準PMBus是一種連接轉換器的理想媒介。

在加值型的供電應用領域中，軟體定義電源正快速地獲得採用，在這些系統中，數位電源的特性同時為設計公司和最終用戶帶來經濟上的優勢。

不過，設計團隊需要時間來建立模型和開發演算法，才能夠充分利用軟體定義供電技術所提供的強大能力。某些團隊可能會先在電路板級實施軟體控制，之後再將機架和大功率轉換級部分帶入軟體定義的架構中。另一方面，某些團隊可能從大功率級開始設計，然後將軟體控制向前擴展至機架和電路板級。

此外，早期的控制演算法可能比較簡單，只須根據少數幾個參數來預測，但隨著時間的演變，由於要對更大的資料集進行更詳細的分析，所以演算法也會變得越來越複雜。

隨著對這些技術的熟悉程度增加，以及那些已經驗證、可在後續專案中快速且高效地再次使用之設計的數目也不斷地在增加，未來的設計人員將能夠很快地交付新的專案，並且將精力集中在開發額外的加值功能，其中可能包括預測性維護，這將有助於提升主要的性能標準，例如正常運作時間，同時透過降低設備更換率來減少大型設備的成本支出。

CUI已經在3kW PSE-3000等前端交流對直流電源中實施PMBus連線性，以及在Novum系列數位IBC和非隔離型直流對直流(DC-DC)數位POL轉換器中實現了PMBus連線性。以業界標準協定與電壓轉換器進行通訊的能力，可以讓設計人員建構聯網的數位控制電源架構。

IBC備有多種標準模組尺寸，並且支援動態匯流排電壓(Dynamic Bus Voltage, DBV)，動態匯流排電壓可以隨著負載情況的改變來調節IBC電壓，從而最佳化轉換效率。

電壓的設置可以經由PMBus設置或透過安裝在IBC而且建基於安謀國際(ARM)的整合式微控制器上的電源最佳化韌體(Power-optimizing Firmware)來完成。就像在負載點的AVS一樣，在IBC級的DBV在最大化效率方面極有成效，因它可利用調節功率包絡(Power Envelope)來適應負載條件，進而最大限度地減少所浪費的能源。

除了設置IBC電壓外，PMBus介面還可進行電壓餘量、故障管理、精密延時爬升和啟動/停止等的中央控制。Novum POL轉換器可以讓PMBus指令控制與IBC模組相似的功能，並且可以實現軟體控制的電壓排序和跟蹤。

為了要說明自動適應電源架構可能實現的節能效果，這裡假設把一個平均效率達到95%的前端交流(AC)/直流(DC)電源，運作效率為93%的IBC，以及一個運作效率為88%的負載點組成起來。在所有三個轉換器上，22.2%的輸入功率會以熱量形式散發。

如果每級效率只增加1%，能源耗散可以削減至19.6%，這相當於12%的提升，可說是非常顯著的效率增長，另外，減少冷卻負載還可節省更多的能源。

廠商攜手合作　完備PMBus標準

隨著軟體定義的電源架構在資料中心和電訊管理局變得普及，業界必須依賴來自不同供應商的電源模組之間的互通性。雖然PMBus在一定程度上實現了模組間連接的標準化，但是某些指令的解釋是開放的，當與不同製造商的轉換器共用時，就有可能產生不同的結果。

為克服這個問題，由CUI、愛立信電源(Ericsson Power Modules)和村田(Murata)所組成的AMP Group(現代電源架構)攜手合作，除將外形尺寸和引腳配置等機械細節標準化外，也在包括PMBus指令回應等的軟體方面進行標準化(圖3)。

圖3 為了協作和開發多方來源的解決方案(特別是針對軟體定義電源應用)，AMP集團於焉成立。

軟體定義電源前景看俏

軟體定義的電源架構不僅可以在設計階段提供效率改善和節能，還降低基礎設施擁有者所須負擔的營運成本。更進一步的優勢包括提高可靠性以及實施預測性維護的機會，最終帶來更長的正常運作時間。從建基於類比的電源架構，朝向軟體定義的電源架構的轉變，正快速地在演進中。隨著電源設計團隊日益熟悉這項技術，將能夠以高成本效益且快速的方式提供日益全面、高效和可靠的電源系統。

(本文作者為CUI高級副總裁)