80 PLUS: Warum Sie im Rechenzentrum auf Titanium-Netzteile setzen sollten

Die Notwendigkeit, riesige Datenmengen zu verarbeiten, ist entscheidend, um zu unterstützen, wie Menschen leben und Unternehmen operieren. KI/ML, E-Commerce, Navigation und andere moderne Technologien sind abhängig von der Rechenleistung, die von Rechenzentren bereitgestellt wird. Wir betrachten Rechenleistung oft als Output - die Menge der in einer bestimmten Zeit abgeschlossenen Prozesse. Ebenso wichtig sind jedoch die Inputs. Eine korrekte Stromversorgung ist entscheidend, um maximale Leistung zu ermöglichen. Dieser Artikel von Bel untersucht die Vorteile von Titan-Stromversorgungen in Rechenzentrumsanwendungen.

Das eine Element, das alle jüngsten großen Trends in der Technologie gemeinsam haben, ist, dass sie alle enorme Mengen an Rechenleistung erfordern. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (AI/ML) können enorme Rechenleistung benötigen, um spezifische Algorithmen auszuführen; Supercomputer werden oft für die Verarbeitung eingesetzt. AI/ML erfordert auch oft riesige Mengen an Daten, um die Algorithmen korrekt zu trainieren. Ähnlich wie beim Cloud Computing erfordert das Speichern und Verarbeiten dieser Informationen Rechenzentren voller Server, Router und Switches - die alle große Mengen an Energie verbrauchen.

Diese neue Generation des Rechnens stellt strenge Anforderungen an die Komponenten und Systeme, die benötigt werden, um diese Maschinen zu betreiben. Von größter Bedeutung in all diesen Rechneranwendungen ist die Stromversorgung. Es reicht nicht mehr aus, „nur“ Strom bereitzustellen. Thermische Einschränkungen müssen eingehalten werden, größere Energieeffizienz muss erreicht werden, Redundanz muss implementiert werden, und hohe Zuverlässigkeit ist erforderlich.

Jedes gut gestaltete Computersystem wird all diese Faktoren berücksichtigen. Tatsächlich beginnen Vorschriften und Zertifizierungen, einige dieser Anforderungen zu regeln und helfen dabei, Stromversorgungen zu identifizieren, die bestimmte Kriterien erfüllen.

Ein solches Beispiel ist 80 PLUS. Es setzt strenge Anforderungen an Netzteile, um deren Energieeffizienz sicherzustellen. Die Spezifikationen verlangen, dass die Netzteile bei verschiedenen Laststufen - 20 %, 50 % und 100 % - mindestens 80 % Energieeffizienz erreichen. Um beispielsweise die grundlegende 80 PLUS-Zertifizierung zu erhalten, muss ein Netzteil bei den angegebenen Lasten eine Effizienz von 80 % aufweisen. Die Standards werden für höhere Zertifizierungen wie Bronze, Silber, Gold, Platin und Titan zunehmend strenger.

Das 80 PLUS-Programm ist ein Zertifizierungsprogramm, das in den frühen 2000er Jahren ins Leben gerufen wurde. Es wurde zunächst von Ecos Consulting entwickelt, wird aber jetzt von CLEARResult betrieben. Es ist ein freiwilliges Programm, das Herstellern hilft, energieeffiziente Designs zu fördern, die für den Einsatz in Computern gedacht sind. Um die 80 Plus-Zertifizierung zu erreichen, müssen Netzteile bei 20%, 50% und 100% der Nennlast mindestens 80% effizient sein und einen Leistungsfaktor von 0,9 oder höher bei 100% Last erreichen.

Die Energieeffizienz ist möglicherweise die bekanntere der beiden Messgrößen. Einfach ausgedrückt, ist die Energieeffizienz eines Netzteils das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Gesamt-Eingangsleistung, ausgedrückt in Prozent.

Aufgrund der nicht-idealen Effekte elektronischer Komponenten, die in Stromversorgungen verwendet werden, ist eine 100%ige Effizienz nicht möglich. Diese Effekte können Schalt- und Leitungsverluste in aktiven Komponenten wie Transistoren und Gleichrichtern, Widerstandsverluste in Drähten, Wicklungen, Leiterplatten-Leiterbahnen und Wechselstromverluste im Transformator sein. Die in diesen Komponenten verlorene Energie wird in der Regel in Form von Wärme abgegeben, was zusätzliche Probleme verursachen kann.

Der Leistungsfaktor ist etwas komplexer. Er ist das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung und hat einen Maximalwert von eins. Die Wirkleistung, gemessen in Watt, bezieht sich auf die Leistung, die Arbeit verrichtet und vom Netzteil und der Last verbraucht wird. 90 Grad phasenverschoben zur Wirkleistung ist die Blindleistung, gemessen in Voltampere reaktiv (VAR). Der Blindstrom zirkuliert einfach im System, ohne Arbeit zu verrichten. Die Scheinleistung ist der Betrag der Vektorsumme von Wirk- und Scheinleistung, der auch gleich dem Produkt von Effektivspannung und Strom ist.

In einem rein ohmschen Stromkreis beträgt der Leistungsfaktor 1 und die gesamte Scheinleistung wird zur Arbeitserzeugung genutzt. Wenn jedoch reaktive Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren in Stromkreise und Lasten eingeführt werden, verschiebt sich die Stromwellenform in Bezug auf die Spannung und der Leistungsfaktor sinkt aufgrund der Hinzufügung von Blindleistung. In nichtlinearen Stromkreisen, wie zum Beispiel Schaltnetzteilen, sind auch Oberschwingungen zu berücksichtigen. Oberschwingungsströme sind reaktiv und senken dadurch ebenfalls den Leistungsfaktor.

Die Auswirkung eines niedrigen Leistungsfaktors ist ein erhöhter Eingangsstrom. Dies führt zu größeren und teureren Kabel- und Verteilnetzen, verringerter Kapazität auf Unterstromkreisen und erhöhten Kosten.

Es gibt viele Gründe, warum ein Designer ein 80 Plus zertifiziertes Netzteil anderen, die nicht zertifiziert sind, vorziehen würde. Ein großer Grund sind die Kosten. Höhere Wirkungsgrade bedeuten weniger verschwendete Energie. Dies bedeutet, dass effizientere Netzteile dazu beitragen können, die Betriebskosten größerer Einrichtungen zu senken. Verschwendete Energie wird in der Regel in Form von Wärme abgegeben, was oft Kühlsysteme erforderlich macht, die nicht nur Kosten verursachen, sondern auch wertvollen Platz beanspruchen und unnötigen Lärm erzeugen können. Weniger Wärme und weniger (oder keine) laufenden Lüfter tragen auch dazu bei, die Lebensdauer eines Produkts und die Zuverlässigkeit eines Systems insgesamt zu verlängern.

Wie der Name schon sagt, erforderte die 80-Plus-Zertifizierung bei ihrer Einführung, dass Netzteile bei 20 % Last, 50 % Last und 100 % Last mindestens 80 % effizient sind. Dieses Effizienzniveau ist jetzt als 80 Plus Basic bekannt. Seit der Einführung des Programms wurden fünf weitere Zertifizierungsstufen hinzugefügt. Das 80-Plus-Programm besteht nun aus den folgenden Zertifizierungsstufen:

Jede dieser Zertifizierungen ist weiter in Unterkategorien basierend auf der AC-Eingangsspannung unterteilt. Dies hilft Herstellern, verschiedene Regionen der Welt zu erreichen. Diese Unterkategorien umfassen 115V intern nicht redundant, 230V intern redundant, 115V industriell, 230V EU intern nicht redundant und 380V DC.

Die verschiedenen Zertifizierungsstufen sowie 3 der unterschiedlichen Unterkategorien sind in der untenstehenden Tabelle dargestellt. Es ist ebenfalls erwähnenswert, dass die höchste Zertifizierungsstufe, 80 Plus Titanium, eine zusätzliche Nennlast von 10 % eingeführt hat.

Stromversorgungen sind in der Regel am effizientesten zwischen 50 % und 75 % ihrer Nennlasten. Bei geringeren Lasten kann die Effizienz der Stromversorgung jedoch erheblich sinken. Tatsächlich kann jede 80 Plus zertifizierte Stromversorgung, mit Ausnahme der mit Titan bewerteten Versorgungen, bei Lasten unter 20 % unter 80 % Effizienz fallen. Mit dem Hinweis, dass das Titanium-Niveau der Zertifizierung erfordert, dass alle Versorgungen mindestens 90 % Effizienz bei 10 % ihrer Nennlast erreichen.

Die Reduzierung des Energieverbrauchs – umweltbewusst oder umweltfreundlich zu sein – ist an sich schon ein Vorteil, aber die Verbesserung der Effizienz von Stromversorgungen ist auch aus Kostengründen wichtig. Serverfarmen und Rechenzentren können erhebliche Geldbeträge sparen, indem sie effizientere Stromversorgungen in ihre Systeme integrieren.

Verlustleistung wird mit der folgenden Gleichung berechnet:

Ein 1000-W-Netzteil mit einer Gold-Zertifizierung würde bei Volllast 87 W Leistung verschwenden. Dies geht von einer 230V-nicht redundanten Stromversorgung mit 92% Effizienz aus. Auf der anderen Seite würde ein äquivalentes 1000-W-Netzteil mit einer Titanium-Zertifizierung (96% Effizienz) nur 42 W Energie verschwenden, was einer Reduzierung der Leistungsverluste um 52% entspricht.

Ein Jahr hat 8.760 Stunden. Angenommen, die Stromversorgung läuft die ganze Zeit, können wir den gesamten Energieverbrauch pro Jahr in kWh wie folgt berechnen: (1000 W + 87 W) * (8760 Stunden/Jahr) / (1000 W/ kW) = 9522 kWh/Jahr.

Ähnlich würde es bei der 96% effizienten Stromversorgung 9128 kWh entsprechen. Bei etwa $0,15 pro kWh mag der Unterschied von 394 kWh pro Jahr zunächst nicht viel erscheinen (etwa $59 pro Stromversorgung pro Jahr), aber denken Sie daran, dass wir nur eine einzige Stromversorgung vergleichen. Rechenzentren und Serverfarmen haben Tausende von Geräteständern, die jeweils mehrere Stromversorgungen benötigen. Die Kosteneinsparungen summieren sich sehr schnell und können leicht Hunderttausende von Dollar erreichen.

Da Rechenzentren immer größer und Anwendungen immer anspruchsvoller werden, sind hocheffiziente Stromversorgungen wichtiger denn je. Sie tragen nicht nur zu Kosteneinsparungen und Zuverlässigkeit bei, sondern ermöglichen auch die Systeme, indem sie den benötigten Wärme- und Platzbedarf reduzieren. Einige der idealen Lösungen umfassen Stromversorgungen wie die Titanium-zertifizierte Produktlinie von Bel Power Solutions.

Bel Power Solutions bietet 14 Produktfamilien von Stromversorgungen und über 30 Produkte an, die alle die Titanium 80 Plus Zertifizierung erfüllen. Dank der umfangreichen Erfahrung von Bel im Design von Elektronik kann Bel eine der breitesten Auswahl an Titanium-zertifizierten Front-End-Designs anbieten. Sollte etwas anderes benötigt werden, bietet Bel Power Solutions auch die Möglichkeit maßgeschneiderter Stromversorgungen an. Kunden können sich melden, um eine kundenspezifische Lösung zu entwerfen, die ihren spezifischen Anforderungen entspricht.