TI 芯科技赋能中国新基建之大数据中心：大数据中心的痛

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TI 芯科技赋能中国新基建之大数据中心：大数据中心的痛点，竟能如此解决？


似乎是在印证国家新基建政策的正确性。2020年新冠疫情爆发以来，远程办公、在线教育、生鲜电商、无人配送等大量新商业模式得到了飞速发展，而这些业务模式背后显然带来了更大量的数据产生和流动——大数据中心作为新基建七大领域之一的重要性进一步提升。

然而，目前全球 40% 的数据中心集中在美国，这几乎是中国的五倍。很显然，我国互联网用户的数量是远高于美国的，这意味着中国有着潜力巨大的大数据中心市场以及发展前景。但是，大数据中心建设是典型的重资产项目，建设周期和投资回报周期非常漫长，具有一条很长的产业链，包括服务器、路由器、交换机、光模块，还有电源、软件、网络、机房等。显然这是一个门槛相当高的领域。

与庞大的建设成本相比，之后的运营成本更让运营者头疼，其中电费占到了 50% 以上，具体的比例主要取决于各数据中心的能效水平。高能耗问题成为数据中心的痛中之痛。

从技术角度上讲，随着数据吞吐量不断增加、任务也呈现多元化发展，不但需要处理器的性能不断提升，处理器也因此呈现多样性，除传统 CPU 外，包括 FPGA、GPU、Arm 等开始广泛应用，供电系统需要尽可能满足不同处理器类型。其次需要高带宽低延迟的信号传输，这些要求使得系统设计复杂度更高。

第三个方向则是大型化和集群化时代的到来，会给产品运维带来诸多挑战，要求产品提高可靠性并且 IT 运维尽量简化。


因此，德州仪器（TI）区域销售经理 Rui 认为，我国数据中心未来发展将突出表现在绿色化、智能化、大型化+集群化这三大方向。而一直以来，TI 在数据中心所涉及的各个应用领域都有着非常大的持续投入， TI 也在依托自身的技术支持中国新基建的发展，帮助解决大数据中心所遇到的痛点。
更高能效、更高功率密度的电源转换

数据中心所消耗的电能几乎都是由市电交流电转换而来。交流输入首先被整流，然后被 PFC 电路调整到一个预先设定的电压水平。下游的隔离 DC/DC 转换器将高压直流电压转换成服务器需要的低压直流电压，之后再进行下一步直流电压转换，用于内存、处理器等的核心供电电压。

实现绿色化中最重要的就是要减少电源转换过程中所消耗的电能。

在 PSU 行业，能源之星 80PLUS 的标准自 2007 年生效以来，从黄金升级到铂金以及如今的钛金，对于电源转换效率的要求一再提升。然而由于传统硅 MOSFET 的性能接近极限，效率提高的速度正在放缓。业界开始采用无桥图腾柱 PFC 拓扑提高 PSU 的效率。但软开关无桥图腾柱的缺点是控制复杂、驱动和零电流检测电路成本高，而且硅 MOSFET 的体二极管反向恢复速度较慢，使得图腾柱 PFC 不能有效地在连续导通模式工作，而具有良好高频工作的氮化镓（GaN）技术可以更好地实现无桥图腾柱 PFC 设计。

TI 提供 LMG3422R030，这是 TI GaN 的最新一代产品，具有集成驱动、保护和报告功能。这种高集成度支持较低的共源电感和引线电感，非常适合高频操作，从而降低栅极和开关损耗以提高效率。此外，该器件采用紧凑的 SMD 封装，具有低寄生引线效应，这使得器件非常稳定可靠。这些独特的特性使电源工程师能够轻松满足服务器 PSU 的高能效需求，如 80PLUS 钛金标准，同时实现更高的功率密度和可靠性。

除了 PSU 之外，针对 FPGA、CPU、GPU 等负载的多相供电设计也存在着诸多挑战，其中相位管理的难度是最大的。电流必须在相位之间均匀平衡，以避免对任一相位产生额外的热应力，并提供最佳的纹波消除。同时，必须在瞬态期间快速添加或移除相位，以最大程度减少输出电压偏移，这就需要更复杂的控制器。另外，额外的相位也会增加 BOM 成本和 PCB 面积。

多相供电功能主要包括了功率级与控制器，TI 通过提供优化适配的智能功率级与高性能控制器共同解决多相供电设计的难点。

首先，针对高集成度的智能功率级（Smart Power Stage）产品，将电流检测功能、驱动器和 MOSFET 进行了统一封装，从而提供更高的电流检测精度，消除无源元件等。例如 TI 的同步降压 NexFET™功率级 CSD95485，支持英特尔 VR12.x 和 VR13.x 的台式机和服务器，针对高功率、高密度同步降压转换器中的使用进行了高度优化。集成了驱动器集成电路和功率 MOSFET，来完善功率级开关功能。此外，还集成了温度感测功能以简化系统设计并提高准确度。

而对于控制器来说，TPS53688 是与之配合的，兼容 VR13.HC SVID 的双通道无驱动器多相（最多 8 相）同步降压控制器。具有高级控制特性（例如具有重叠脉冲的 D-CAP+ ™架构）支持下冲衰减（USR）和过冲衰减 （OSR），可提供快速瞬态响应、最低输出电容和高效率。该器件还支持在 CCM 和 DCM 运行情况下进行单相运行，从而提高轻负载情况下的效率。

当 TI 控制器与 NexFET 功率级配合使用时，该总体解决方案可提供超高速度和低开关损耗。由于多相电源产品采用了数字方案，支持 PMBUS，可以通过 GUI 图形界面进行修改与调整，相比模拟方案设计和调试更加灵活。


PCIe 是目前用途最广泛的数据交换总线，由于 PCIe 担负着数据交换的重要作用，因此其标准升级也是最快更迭的。然而，PCIe 的高速信号在通过长的 PCB 走线或线缆进行传输时，面临着保持信号完整性的重大挑战，客户一方面需要选择低损耗的材料，另外则需要信号调节元件以改善传输路径，在 PCle 4.0 中，信号调节功能首次被直接写入到基本 PCle 规格中。

TI 提供了 Redriver 和 Retimer 两类产品，并且具有 Pin to Pin 兼容的特点，可根据用户具体应用需求而灵活选择。

DS160PR810 是一款高性能八通道 PCIe 4.0 Redriver，支持 16 Gbps 的标准 PCIe 数据速率。它用于扩展高速 PCIe 串行链路的范围和稳健性。具有可编程性，能够实现最大限度的灵活性并提高通道的总体性能。
简化运维

数据中心必须维持关键操作和数据传输，随着数据中心的功率越来越大，对系统可靠性的挑战也越来越大，因此备用电源是必需的。电源多路复用电路可以在主电源轨和备用电源轨之间做出自动选择或切换。TI 的负载开关和 eFuse 产品组合为用户提供了灵活的电源多路复用解决方案。TI 的 eFuse 产品系列符合 UL 2367 和 IEC 62368-1 安全认证，最大支持电流可高达 70A。

而相对于离散的保险丝和 PTC 不同，eFuse 具有更准确的电流限制，响应速度更快，并且可以在没有用户干预的情况下恢复，因此非常适合数据中心的远程维护需求。可广泛应用于电源轨、硬盘、风扇和 PCIe 外设等保护，从而大大提升了系统的可靠性。

TPS25982 是具有精确负载电流监测和可调节瞬态故障管理功能的 2.7V 至 24V、2.7mΩ、15A eFuse。可以通过区分瞬态事件和实际故障来智能地管理过流响应，从而允许系统在线路和负载瞬变期间不间断运行，而不会影响故障保护的稳健性。该器件可配置为在故障关闭后保持闭锁或自动重试，这使远程系统能够自动从临时故障中恢复，同时确保电源不会因持续的故障而无限期地承受应力。
除了痛点，还有什么？

为了更好地支持中国新基建大数据中心的发展，TI 正在尽可能为服务器系统提供更为全面的解决方案，除了上述几项产品之外，包括 TI 第二代 GaN 器件、单向负载电源、中低速 I2C 扩展、温度传感器、电流传感器等，方便客户一站式选择，简化用户设计、采购、备货等方方面面。

同时，TI 在中国有北京，上海，深圳三个研发中心，TI 和国内主流的 OEM 服务器商都有合作，同时也与国内外主流的 ASIC 供应商合作，开发适合的供电系统参考设计。

移动互联网时代带来数据的激增。都说数据是数字时代的石油，那么大数据中心就相当于炼油设备，从中挖掘出更多服务信息技术以及数字社会的价值。

如今 TI 已深耕中国 35 年，在数据洪流到来之时，TI 始终如一通过提供齐全的模拟和嵌入式产品、强大的本地制造研发能力、遍布全国的产品分销及销售网络，帮助中国数字新生代的开拓者们解决难题与挑战。

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