CN102609069A

CN102609069A - 一种用于超级计算机的供电方法

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Publication number: CN102609069A
Application number: CN2012100831701A
Authority: CN
Inventors: 胡世平; 姚信安; 宋飞; 陈旭; 陈永德; 曹跃胜; 金杰; 罗煜峰; 刘志; 卓丛江
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种用于超级计算机的供电方法，首先将交流市电由前级电源变换成12V直流电，然后经机柜背板和后级直流母线送至末级电源，安装在数据处理芯片附近的末级电源将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组由前级电源的直流输入接口接入。本发明具有结构简单紧凑、电源器件体积更小、成本更加低廉、能够大大提高供电效率、可靠性好等优点。

Description

一种用于超级计算机的供电方法

技术领域

本发明主要涉及到计算机的供电技术领域，特指一种适用于超级计算机的供电方法。

背景技术

超级计算机强大的数据处理能力为人类社会认识和改造自然界的活动带来了前所未有的帮助。然而，人们在越来越广泛地应用超级计算机时发现，超级计算机在给人类“造福”的同时也在大量消耗着人类社会宝贵的能源。因此，不仅使用单位迫切地希望能降低超级计算机的电能消耗，国际超级计算机TOP 500评选活动也将能效比（计算机处理能力与耗电量之比）列为超级计算机的三大评选指标之一。

就目前来说，超级计算机使用的主要输入能源是220V/380V交流电，其内部电源给数据处理芯片供电的电压是0.75V~5V直流电（其中主要供电电压在0.9V~2.5V之间），在从220V/380V交流电到低压直流电的变换过程中通常要损耗四分之一以上的电能。

电源变换过程中的电能损耗与超级计算机的供电方式密切相关，供电方式即是指怎样将交流电变换成数据处理芯片所需的各种低压直流电。不论采用何种供电方式都要受超级计算机特有供电要求的限制：

1、刀片式结构是当前超级计算机的一种常用结构，即多块相互平行的插件板经插头和插座连接与它们垂直的机柜背板，各插件板之间通过机柜背板实现电气连接（包括信号、电源和地线连接）。为提高机器的组装密度，往往相邻插件板的中心距通常只有1U（约44毫米）。

2、由于超级计算机的数据处理芯片对电源的稳定性和瞬态响应能力有较高要求，电源的输出端口需尽可能靠近用电芯片，以减少从电源端口到芯片之间的电压降，并提高电源在负载电流突然变化时的瞬态响应能力。然而另一方面，出于安全和减少电磁干扰等方面的考虑，又不能将220V/380V交流电直接接入插件板和机柜背板，从而决定了超级计算机的供电需要通过多级电源变换来实现。

3、与其它电子设备的供电要求有所不同，在超级计算机中直接为数据处理芯片供电的末级电源一般不采用隔离型（带变压器的）稳压电源，因这类电源的瞬态响应能力不够。而非隔离型稳压电源不允许输入电压太高，否则PWM占空比会很低，导致电源变换的效率低和电源变换时产生的电磁干扰大。目前，许多高档CPU都采用12V输入的非隔离型电源供电。

现有技术中，一种适用于超级计算机的传统供电方式如图1、图2、图3和图7所示。前级电源1将交流市电变换成48V直流电，前级直流母线2将前级电源1输出的电能输送到计算机的机柜背板3上，机柜背板3通过插件板电源输入插座301将电能送入各插件板7；各插件板7上的中间级电源4将48V直流电转变成12V直流电，后级直流母线5将12V直流电送至各个末级电源6；位于数据处理芯片附近的末级电源6将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压。其中，前级电源1由多台具有图2所示结构的普通的AC/DC电源11并联组成，每台AC/DC电源11的内部包括交流电输入接口111、整流桥112、升压与输入功率因数校正电路113以及降压型DC/DC变换电路114。前级直流母线2为一组（两根）铜电缆或汇流铜条。机柜背板3的结构如图7所示，前级直流母线2输送的 48V直流电通过连接前级直流母线的端子303引入机柜背板3，再经机柜背板3中的导电铜层送至各个插件板电源输入插座301。中间级电源4采用48VDC输入/12VDC输出的隔离型DC/DC变换器。后级直流母线5是插件板7中输送12V电源能量的印制线。末级电源6是非隔离型DC/DC变换器。上述传统供电方式的主要缺点就在于：供电效率比较低，从交流市电到末级电源6输入端的变换与传输效率≤86％。

出于节能的目的，本领域众多学者针对大型程控交换机和超级计算机的供电提出了高压直流供电方式。日本电报电话公司（NTT）在2008年建立了世界上第一个采用高压直流供电的大型数据中心，国内和国外近年来有一部分超级计算机也采用了高压直流供电方式。如图4、图5、图6和图7所示，高压直流供电方式保留了传统供电方式的架构（两级直流母线和三级电源变换），但对原来的前级电源1、前级直流母线2、机柜背板3和中间级电源4进行了变化。比较图2和图5，图5为在高压直流供电方式中的前级电源1，它仅包括交流电输入接口111、整流桥112、升压与输入功率因数校正电路113，减少了降压型DC/DC变换电路114（即降压环节），提高了前级电源1的变换效率，并且将输出电压由48V改为400V。由于前级直流母线2的工作电压从48V提升到400V，因此其降低了输电电流，减少了输电损耗和制作前级直流母线的铜材。机柜背板3仍保留图7的结构形式，但各插件板电源输入插座301、连接前级直流母线的端子303、以及印制板中的导电铜层均做了适应400V高压直流输电的改动。中间级电源4改为400VDC输入、12VDC输出的隔离型DC/DC变换器。

上述“高压直流供电方式”与传统供电方式相比，具有以下特点：①从交流市电到末级电源输入端的变换与传输效率由≤86％提高到89％左右（基于2010年市售电源产品的效率水准）；②降低了前级电源1的制作成本；③减少了制作前级直流母线2所需要的铜材。

然而，由于高压直流供电方式仍继承了传统供电方式中的两级直流母线、三级电源变换的供电架构，因而对电源变换效率的提升并不大。

如若让前级电源1把交流电直接变换成末级电源6需要的12V直流电，省掉中间级电源，不仅可以提高电源效率，还可以节省一笔非常可观的电源经费，但这样做会存在以下问题：

1、前级电源1经机柜背板3流向插件板7的电流增加了4倍（相对于48V直流母线）。对于功率密度非常高的超级计算机来说，工艺上很难实现这么大的电流通过机柜背板3，机柜背板3中的铜层有可能会因局部电流密度过高造成损毁。

2、大电流会在输电回路（12V母线和地线）上形成较大的电压降，造成系统中电源电位差和地线电位差增大，而系统地线电位差大影响系统的稳定性。

3、供电环节中将会没有合适的后援蓄电池组8接入点。从12V直流母线接入蓄电池不合适，因为蓄电池在电量充足和电量不足、以及在轻载和重载等不同条件下的端电压差别很大，会影响末级电源6的稳定工作；另外12V处的电流非常大，也不便于接入蓄电池。这样一来，当超级计算机要求不间断供电时，需要在前级电源1的前端再增加一级UPS电源，反而降低了供电效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、电源器件体积更小、成本更加低廉、能够大大提高供电效率、可靠性好的用于超级计算机的供电方法，即本发明旨在减少超级计算机电源变换过程中的电能损耗，提高电源变换的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于超级计算机的供电方法，首先将交流市电由前级电源变换成12V直流电，然后经机柜背板和后级直流母线送至末级电源，安装在数据处理芯片附近的末级电源将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组由前级电源的直流输入接口接入。

作为本发明的进一步改进：

将前级电源的前级电源输出插座直接安装在机柜背板上。

所述前级电源通过多点连接机柜背板，并利用机柜背板中的电源层和地线层来实现多台前级电源的输出并联和N+X冗余。

所述前级电源输出插座机柜背板上的布局是遵循以下方法：①负荷均衡原则；将插件板电源输入插座视为是前级电源的负荷，为各台前级电源分配功耗相同的负荷，即每台前级电源只为分配给它的插件板电源输入插座供电；②距离最近原则；在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座安放在与其馈电对象距离最近的位置上；③距离相等原则；每个插件板电源输入插座到其供电对象的距离相等。

所述前级电源包括交流电输入接口、整流桥、直流电输入接口、输入源选择开关以及依次相连的升压与输入功率因数校正电路、降压型DC/DC变换电路，所述交流电输入接口与整流桥相连并形成交流电输入电路，所述交流电输入电路与直流电输入接口构成的直流电输入电路并联后经输入源选择开关选择切换后与升压与输入功率因数校正电路相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明用于超级计算机的供电方法，大大提高了超级计算机的供电效率，从交流市电到末级电源输入端的变换与传输效率约为91.5%，而传统供电方式的相应效率≤86％，高压直流供电方式的相应效率约为89％。

2、本发明用于超级计算机的供电方法，降低了电源成本；由于供电方式省去了前级直流母线和中间级电源，进而节省了电源器材经费，大大降低了成本。

3、本发明用于超级计算机的供电方法，缩小了插件板板面；通过采用本发明的供电方式，插件板上不需要安放用于母线电压变换的中间级电源，插件板面积可因此缩小15％左右。

4、本发明用于超级计算机的供电方法，大大提高了电源系统的可靠性。本发明将超级计算机现有供电方式的三级电源变换减为两级（仍保留后援蓄电池组接口），减小了发生电源故障的概率。

附图说明

图1是现有技术中超级计算机传统供电方式的框架原理示意图。

图2是在传统供电方式中作为前级电源的框架原理示意图。

图3是采用传统供电方式后电源转换效率的示意图。

图4是现有技术中高压直流供电方式的框架原理示意图。

图5是在高压直流供电方式中前级电源的框架原理示意图。

图6是采用高压直流供电方式后电源转换效率的示意图。

图7是传统供电方式和高压直流供电方式中机柜背板的结构示意图。

图8是本发明供电方式的框架原理示意图。

图9是在本发明中前级电源的框架原理示意图。

图10是本发明中机柜背板的结构示意图。

图11是采用本发明供电方式后电源转换效率的示意图。

图例说明：

1、前级电源；111、交流电输入接口；112、整流桥；113、升压与输入功率因数校正电路；114、降压型DC/DC变换电路； 115、直流电输入接口；116、输入源选择开关；2、前级直流母线；3、机柜背板；301、插件板电源输入插座；302、前级电源输出插座；303、连接前级直流母线的端子；4、中间级电源；5、后级直流母线；6、末级电源；7、插件板；8、后援蓄电池组 11、普通的AC/DC电源。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图8所示，本发明用于超级计算机的供电方法，首先将交流市电由前级电源1变换成12V直流电，然后经机柜背板3和后级直流母线5送至末级电源6，安装在数据处理芯片附近的末级电源6将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组8由前级电源1的直流输入接口接入。如图11所示，采用本发明的供电方式后，从交流市电到末级电源6输入端的变换与传输效率约为91.5%。

其中，后级直流母线5是插件板7中输送12V电源能量的印制线，末级电源6可以采用非隔离型DC/DC变换器。前级电源1的输出电压为12VDC，即直接将交流电变换成末级电源6所需要的输入电压，省去了中间级电源和前级直流母线。参见图10，前级电源1与机柜背板3之间不是通过电缆或汇流条连接，而是将前级电源输出插座302直接安装在机柜背板3上，从而最大限度地降低了前级电源1到机柜背板3之间的输电损耗。多台前级电源1不是在电源柜或电源箱内进行输出端并联，而是利用机柜背板3中的铜层实现前级电源1的输出并联和N+X冗余。

如图9所示，前级电源1采用交直流双输入（自动切换）电源，其包括交流电输入接口111、整流桥112、升压与输入功率因数校正电路113、降压型DC/DC变换电路114、直流电输入接口115以及输入源选择开关116。本实施例中，输入源选择开关116采用一只继电器，当交流电输入存在并满足供电要求时，继电器通过交流电输入接口111接通交流输入源；当交流电输入不存在或不能满足供电要求时，继电器通过直流电输入接口115接通直流输入源。在交、直流输入源切换过程中会有约10毫秒的电能供应中断时间，依靠内部电容器存储的电能可维持前级电源正常输出。通过在前级电源1增加直流电输入接口115，从而解决了一级直流母线供电架构无法接入后援蓄电池组8的问题，使得电源系统在具备不间断供电（UPS）功能的同时仍具有较高的变换效率。

参见图10所示的具体实施例，机柜背板3中每个插件板7的插件板电源输入插座301为两个，型号规格也有所变化；这是因为输电电压从48V下降到12V，导致输电电流增加所采取的应对措施。同时，前级电源1所提供的电能也不再是通过一点引入机柜背板3，而是通过合理分布的多个前级电源输出插座302引入机柜背板3。

即，前级电源1通过多点连接机柜背板3，并利用机柜背板3中的电源层和地线层来实现多台前级电源1的输出并联和N+X冗余。前级电源输出插座302在机柜背板3上的布局是按以下原则设计的：

①负荷均衡原则；

把插件板电源输入插座301看作是前级电源1的负荷，为各台前级电源1分配功耗相同或尽可能相同的负荷（假定每台前级电源1只为分配给它的插件板电源输入插座301供电）。

②距离最近原则；

在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座302安放在与其馈电对象（插件板电源输入插座301）距离最近的位置上。

③距离相等原则

使每个插件板电源输入插座301到其供电对象（前级电源输出插座302）的距离相等或大致相等。

按以上三原则设计出的前级电源输出插座302布局如图10所示。前级电源1通过合理布局的多点连接机柜背板3，分散了前级电源1经机柜背板3向插件板7供电的电流，从而解决了大电流通过机柜背板3的工艺难题，同时也解决了系统地线电位差问题（因各输电支路上的电压降几乎一样）。

例如，在一个具体的应用实例中（某超级计算机系统中），每块机柜背板3连接18块插件板7（总功耗约14KW），采用12V一级直流母线的供电方式，前级电源1经机柜背板3向插件板7提供的总电流约1167A。使用8台最大输出功率为2500W的前级电源1进行6＋2冗余供电，前级电源输出插座302（AMP6450551-4）安装在机柜背板3上，并按照前述“负荷均衡”、“距离最近”、“距离相等”三原则布局，向36个插件板电源输入插座301（Amphenol TCS1018）供电。机柜背板3的外形尺寸为656mm（宽）×412mm（高），是24层印刷电路板，其中有9层是完整的地线层（铜层厚度0.5oz），2层是完整的12V电源层（铜层厚度1oz），11层是信号线层（铜层厚度0.5oz），2层是表面元器件装焊层（铜层厚度1.5oz）。信号线层中有部分敷铜用作12V电源电流传输；表面层中有部分敷铜用作地线电流传输。插件板7采用双面对插的形式，即在机柜背板3的每一面有9块插件板7。

通过实测结果表明：由前级电源1的输出端口到末级电源6输入端口的最大电压降（包含12V电源和地线在印制板铜层及插座上的电压降）为60mV，即12V直流母线上的输电损耗≤0.5％；各插件板7之间的地线电位差≤7mV，包括8台前级电源1中有任意1台失效的恶劣情况。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于超级计算机的供电方法，其特征在于：首先将交流市电由前级电源（1）变换成12V直流电，然后经机柜背板（3）和后级直流母线（5）送至末级电源（6），安装在数据处理芯片附近的末级电源（6）将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组（8）由前级电源（1）的直流输入接口接入。

2.根据权利要求1所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于：将前级电源（1）的前级电源输出插座（302）直接安装在机柜背板（3）上。

3.根据权利要求2所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于：所述前级电源（1）通过多点连接机柜背板（3），并利用机柜背板（3）中的电源层和地线层来实现多台前级电源（1）的输出并联和N+X冗余。

4.根据权利要求3所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于，所述前级电源输出插座（302）在机柜背板（3）上的布局是遵循以下方法：①负荷均衡原则；将插件板电源输入插座（301）视为是前级电源（1）的负荷，为各台前级电源（1）分配功耗相同的负荷，即每台前级电源（1）只为分配给它的插件板电源输入插座（301）供电；②距离最近原则；在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座（302）安放在与其馈电对象距离最近的位置上；③距离相等原则；每个插件板电源输入插座（301）到其供电对象的距离相等。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于，所述前级电源（1）包括交流电输入接口（111）、整流桥（112）、直流电输入接口（115）、输入源选择开关（116）以及依次相连的升压与输入功率因数校正电路（113）、降压型DC/DC变换电路（114），所述交流电输入接口（111）与整流桥（112）相连并形成交流电输入电路，所述交流电输入电路与直流电输入接口（115）构成的直流电输入电路并联后经输入源选择开关（116）选择切换后与升压与输入功率因数校正电路（113）相连。