L'elaborazione di enormi quantità di dati è essenziale per supportare il modo in cui le persone vivono e le aziende operano. Il funzionamento di moderne tecnologie come l'intelligenza artificiale, l'apprendimento automatico, l'e-commerce, la navigazione e non solo dipende interamente dalla corrente fornita dai data center. Spesso pensiamo alla potenza di calcolo come all'output, ovvero la quantità di processi completati in un determinato intervallo di tempo. Altrettanto importanti, però, sono gli input. Per ottenere le massime prestazioni è fondamentale disporre di un'alimentazione adeguata. Questo articolo di Bel esplora i vantaggi degli alimentatori Titanium nelle applicazioni di data center.
Ciò che accomuna tutte le più importanti tendenze recenti della tecnologia è che richiedono tutte un'enorme potenza di calcolo. L'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico (IA/ML) possono richiedere enormi quantità di potenza di calcolo per l'esecuzione di algoritmi specifici e spesso l'elaborazione è affidata a dei supercomputer. Inoltre, l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico spesso richiedono enormi quantità di dati per addestrare correttamente gli algoritmi. Come per il cloud computing, l'archiviazione e l'elaborazione di queste informazioni richiedono data center completi di server, router e switch, che consumano grandi quantità di corrente.
L'efficienza è sempre più importante nell'elaborazione ad alte prestazioni
Questa nuova generazione di computer impone requisiti rigorosi ai componenti e ai sistemi necessari per far funzionare queste macchine. In tutte queste applicazioni informatiche, l'alimentazione è estremamente importante. La semplice fornitura di corrente non è più sufficiente. È necessario rispettare i vincoli termici, migliorare l'efficienza energetica e garantire la ridondanza e un'elevata affidabilità.
Qualsiasi sistema informatico ben progettato terrà conto di tutti questi fattori. Infatti, normative e certificazioni stanno iniziando a disciplinare alcuni di questi requisiti e ad aiutare a identificare gli alimentatori che soddisfano determinati criteri.
Un esempio del genere è 80 PLUS. Stabilisce requisiti rigorosi per gli alimentatori, garantendone l'efficienza energetica. Le specifiche richiedono che gli alimentatori raggiungano almeno l'80% di efficienza energetica a vari livelli di carico: 20%, 50% e 100%. Ad esempio, per ottenere la certificazione base 80 PLUS, un alimentatore deve avere un'efficienza dell'80% ai carichi specificati. Gli standard diventano progressivamente più severi per le certificazioni più elevate, come Bronzo, Argento, Oro, Platino e Titanio.
Cos'è il programma 80 PLUS?
Il programma 80 PLUS è un programma di certificazione lanciato all'inizio degli anni 2000. Inizialmente ideato da Ecos Consulting, ora è gestito da CLEARResult. Si tratta di un programma volontario che aiuta i produttori a promuovere design ad alta efficienza energetica destinati all'uso nei computer. Per poter ottenere la certificazione 80 Plus, gli alimentatori devono avere un'efficienza minima dell'80% al 20%, al 50% e al 100% del carico nominale e un fattore di potenza di almeno 0,9 al 100% del carico.
Ma cosa sono esattamente l'efficienza energetica e il fattore di potenza?
Calcolo dell'efficienza dell'alimentatore
l'efficienza energetica è forse la misurazione più nota delle due. In breve, l'efficienza dell'alimentatore è il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso totale, espresso in percentuale.
Efficienza [%] = x 100
Equazione 1
A causa degli effetti non ideali dei componenti elettronici utilizzati negli alimentatori, non è possibile raggiungere un'efficienza del 100%. Gli effetti possono essere costituiti da perdite di commutazione e conduzione nei componenti attivi, come transistor e raddrizzatori, perdite resistive nei fili, negli avvolgimenti, nelle tracce dei circuiti stampati e perdite di corrente alternata nel trasformatore. La corrente persa in questi componenti viene generalmente dissipata sotto forma di calore e questo può creare ulteriori problemi.
Calcolo del fattore di potenza
il fattore di potenza è un po' più complesso. È il rapporto tra la potenza reale e quella apparente e ha un valore massimo di uno. La potenza reale, misurata in watt, indica la potenza che esegue un lavoro e viene consumata dall'alimentatore e dal carico. La potenza reattiva, misurata in voltampere reattivi (VAR), è fuori fase di 90 gradi rispetto alla potenza reale. La corrente reattiva semplicemente circola nel sistema senza svolgere alcun lavoro. La potenza apparente è la grandezza della somma vettoriale della potenza reale e apparente, che è anche uguale al prodotto tra la corrente e la tensione di valore efficace.
Figura 1. Triangolo di potenza che mostra le componenti reali e reattive e il vettore di potenza apparente risultante.
Fattore di potenza =
Equazione 2
In un circuito puramente resistivo, il fattore di potenza è 1 e tutta la potenza apparente produce lavoro. Tuttavia, quando nei circuiti e nei carichi vengono introdotti componenti reattivi come induttori e condensatori, la forma d'onda della corrente si sposta rispetto alla tensione e il fattore di potenza diminuisce a causa dell'aggiunta di potenza reattiva. Nei circuiti non lineari, come gli alimentatori a commutazione, occorre tenere conto anche delle armoniche. La corrente armonica è reattiva e quindi abbassa anche il fattore di potenza.
L'effetto del basso fattore di potenza è un aumento della corrente in ingresso. Questo comporta l'uso di reti di cablaggio e distribuzione più grandi e costose, una riduzione della capacità sui circuiti di distribuzione e un aumento dei costi.
Sono molteplici le ragioni per cui un progettista sceglierebbe un alimentatore certificato 80 Plus rispetto ad altri non certificati. Una delle ragioni principali è il costo. Una maggiore efficienza si traduce in una minore potenza dispersa. Ciò significa che alimentatori più efficienti possono contribuire a ridurre i costi di gestione di strutture di grandi dimensioni. La potenza dispersa viene generalmente dissipata sotto forma di calore. Questo comporta la necessità di sistemi di raffreddamento che non solo aggiungono costi, ma possono anche occupare spazio prezioso e creare rumore superfluo. Anche una minore produzione di calore e un minor numero (o nessuna) ventola in funzione contribuiscono a prolungare la durata di un prodotto e l'affidabilità complessiva di un sistema.
Livelli di efficienza 80 PLUS
Come suggerisce il nome, quando la certificazione 80 Plus è stata introdotta per la prima volta, richiedeva soltanto che gli alimentatori avessero un'efficienza pari almeno all'80% al 20%, al 50% e al 100% del carico. Questo livello di efficienza è ora noto come 80 Plus Basic. Dall'introduzione del programma sono stati aggiunti altri cinque livelli di certificazione. Il programma 80 Plus ora comprende i seguenti livelli di certificazione:
Figura 2. Livelli 80 Plus attuali.
Ciascuna di queste certificazioni è ulteriormente suddivisa in sottocategorie in base alla tensione CA in entrata. In questo modo i produttori possono rivolgersi a diverse regioni del mondo. Queste sottocategorie includono 115 V interno non ridondante, 230 V interno ridondante, 115 V industriale, 230 V UE interno non ridondante e 380 V CC.
I diversi livelli di certificazione, insieme a 3 delle diverse sottocategorie, sono descritti nella tabella seguente. Vale la pena sottolineare che il livello di certificazione più elevato, 80 Plus Titanium, ha introdotto un carico nominale aggiuntivo del 10%.
Gli alimentatori sono generalmente più efficienti tra il 50% e il 75% dei loro carichi nominali. Tuttavia, con carichi più leggeri, l'efficienza dell'alimentatore può diminuire notevolmente. Infatti, ad eccezione degli alimentatori Titanium, qualsiasi alimentatore con certificazione 80 Plus può scendere al di sotto dell'80% di efficienza con carichi inferiori al 20%. Detto questo, il livello di certificazione Titanium richiede che tutti gli alimentatori abbiano un'efficienza minima del 90% al 10% del loro carico nominale.
| 80 Plus Tipo di prova |
115 V interno Non ridondante |
230 V interno ridondante |
230 V interno UE Non ridondante |
|||||||||
| % del carico nominale | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% |
| 80 Plus | N/D | 80% | 80% | 80% | - | - | - | - | - | 82% | 85% | 82% |
| 80 Plus Bronzo |
N/D | 82% | 85% | 82% | - | 81% | 85% | 81% | - | 85% | 88% | 85% |
| 80 Plus Argento |
N/D | 85% | 88% | 85% | - | 85% | 89% | 85% | - | 87% | 90% | 87% |
| 80 Plus Oro |
N/D | 87% | 90% | 87% | - | 88% | 92% | 88% | - | 90% | 92% | 89% |
| 80 Plus Platino |
N/D | 90% | 92% | 89% | - | 90% | 94% | 91% | - | 92% | 94% | 90% |
| 80 Plus Titanio |
90% | 92% | 94% | 90% | 90% | 94% | 96% | 91% | 90% | 94% | 96% | 94% |
Tabella 1. Livelli di efficienza 80 Plus per alimentatori CA/CC interni
Importanza dell'alta efficienza
Ridurre il consumo di energia e rispettare l'ambiente è, di per sé, un vantaggio, ma migliorare l'efficienza degli alimentatori è importante anche dal punto di vista dei costi. Le server farm e i data center possono risparmiare una notevole quantità di denaro integrando nei loro sistemi alimentatori più efficienti.
Per il calcolo della potenza dispersa si utilizza l'equazione seguente:
Pdispersa
Equazione 3
Quindi, ad esempio, un alimentatore da 1.000 W con certificazione Gold disperde 87 W di potenza a pieno carico. Questo presuppone un'alimentazione non ridondante a 230 V con un'efficienza del 92%. D'altra parte, un alimentatore equivalente da 1.000 W con classificazione Titanium (96% di efficienza) disperde solo 42 W di potenza, con una riduzione del 52% della potenza dissipata.
Ci sono 8.760 ore in un anno. Supponendo che l'alimentatore sia sempre in funzione, possiamo calcolare l'energia totale consumata all'anno in kWh come (1.000 W + 87 W) * (8.760 ore/anno) / (1.000 W/kW) = 9.522 kWh/anno.
Analogamente, per un'alimentazione con un'efficienza del 96%, corrisponderebbe a 9.128 kWh. A circa 0,15 dollari per kWh, di primo acchito la differenza di 394 kWh all'anno può non sembrare molto (circa 59 dollari per alimentatore all'anno), ma ricorda che stiamo effettuando il confronto per un solo alimentatore. I data center e le server farm dispongono di migliaia di rack di apparecchiature, ognuno dei quali richiede più alimentatori. I risparmi sui costi si sommano molto rapidamente e possono raggiungere facilmente le centinaia di migliaia di dollari.
Figura 3. Confronto della dissipazione della potenza tra alimentatori con classificazione Platinum e Titanium.
Il futuro degli alimentatori ad alta efficienza
Con l'aumento delle dimensioni dei centri di calcolo e delle esigenze delle applicazioni, gli alimentatori ad alta efficienza saranno più importanti che mai. Non solo contribuiranno a ridurre i costi e ad aumentare l'affidabilità, ma renderanno i sistemi realizzabili riducendo il calore e lo spazio necessari. Alcune delle soluzioni ideali includono alimentatori come la linea di alimentatori certificati Titanium di Bel Power Solutions.
Figura 4: Alimentatori front-end AC-DC TEC1300, TET1500 e TET3600.
Bel Power Solutions offre 14 famiglie di alimentatori e oltre 30 prodotti, tutti conformi al livello di certificazione Titanium 80 Plus. Grazie alla sua vasta esperienza nella progettazione di componenti elettronici, Bel può offrire una delle più ampie selezioni di design front-end con certificazione Titanium. Se fosse necessario qualcosa di diverso, Bel Power Solutions offre anche la possibilità di acquistare alimentatori personalizzati. I clienti possono richiedere una soluzione personalizzata, progettata in base alle loro esigenze specifiche.