80 PLUS：データセンターにTitanium電源ユニットが必要な理由

膨大な量のデータを処理する必要性は、人々の生活や企業の運営を支える上で不可欠です。AI/ML、E-commerce、ナビゲーション、その他の最新技術はデータセンターが提供する計算能力に依存しています。計算能力を出力、つまり一定時間内に完了したプロセスの量として考えることはよくありますが、同じくらい重要なのが入力です。適切な電源供給は最大限の性能を可能にするために欠かせません。本文では、Belによるデータセンターでのチタン電源の利点について探ります。

最新のテクノロジーの最大のトレンドに共通している一つの特徴は、いずれも莫大な計算能力を必要とするという点です。人工知能および機械学習（AI/ML）は、特定のアルゴリズムを実行するために膨大な計算能力が必要とされ、スーパーコンピュータが処理に使われることがよくあります。また、AI/MLではしばしばアルゴリズムを正確にトレーニングするために膨大なデータ量が必要です。クラウドコンピューティングと同様に、この情報を保存および処理するためには、サーバー、ルーター、スイッチで満たされたデータセンターが必要であり、これらはすべて大量の電力を消費します。

この新世代のコンピューティングは、これらのマシンを動作させるために必要なコンポーネントやシステムに厳しい要求を課しています。これらすべてのコンピューティングアプリケーションにおいて、最も重要なのは電源供給です。単に電力を供給するだけではもはや十分ではありません。熱制約を満たし、より高い電力効率を実現し、冗長性を確保し、高い信頼性が求められます。

適切に設計されたコンピューティングシステムは、これらすべての要素を考慮に入れます。実際、一部の規制や認証がこれらの要件を管理し、特定の基準を満たす電源装置を特定するのに役立ち始めています。

その一例が80 PLUSです。これは電源ユニットのエネルギー効率を確保するために厳しい要件を設定しています。この仕様では、20%、50%、および100%の各負荷レベルで少なくとも80%のエネルギー効率を達成することが求められます。例えば、基本的な80 PLUS認証を取得するためには、指定された負荷レベルで電源ユニットが80%の効率を発揮する必要があります。Bronze、Silver、Gold、Platinum、Titaniumといった上位の認証になるにつれて、基準が段階的に厳しくなります。

80 PLUS プログラムは、2000年代初頭に開始された認証プログラムです。当初は Ecos Consulting によって立ち上げられましたが、現在は CLEARResult によって運営されています。これは、コンピュータで使用することを目的としたエネルギー効率の高い設計を促進するのを支援する任意のプログラムです。80 PLUS 認証を取得するためには、電源ユニットが定格負荷の20%、50%、および100%で少なくとも80%の効率を達成し、100%負荷で 0.9 以上の力率を達成する必要があります。

電力効率は、2つのうちよりよく知られた測定値かもしれません。簡単に言えば、電源効率とは出力電力と総入力電力の比率を百分率で表したものです。

電源装置で使用される電子部品の非理想的な影響により、100%の効率を実現することは不可能です。これらの影響として、トランジスタや整流器などの能動部品におけるスイッチング損失や伝導損失、ワイヤ、巻線、PCBトレースでの抵抗損失、およびトランス内での交流損失が含まれます。これらの部品で失われたエネルギーは一般的に熱として放散され、追加の問題を引き起こす可能性があります。

力率は少々複雑です。それは実効電力と皮相電力の比率であり、最大値は1です。ワットで測定される実効電力は、作業を行い、電源および負荷で消費される電力を指します。実効電力と90度位相のずれがあるのが無効電力で、無効電力は無効電流によってのみ循環し、作業をしません。皮相電力は、実効電力と無効電力のベクトル和の大きさであり、rms電圧と電流の積とも等しい値です。

純抵抗回路では、力率は1であり、すべての見かけの電力が作業を行います。しかし、回路や負荷にインダクタやコンデンサのようなリアクティブコンポーネントが導入されると、電流波形が電圧に対してシフトし、リアクティブ電力の追加により力率が低下します。スイッチング電源のような非線形回路では、調和波も問題となります。調和電流はリアクティブであるため、力率も低下させます。

力率が低い場合の影響は、入力電流が増加することです。これにより、より大きくて高価な配線および分配ネットワークが必要となり、分岐回路の容量が減少し、コストが増加します。

設計者が80 Plus認証済みの電源を選ぶ理由には多くのものがあります。最大の理由のひとつはコストです。効率の高い電源は無駄な電力を抑えることができるため、より効率的な電源は大規模な施設の運用コストを削減するのに役立ちます。無駄な電力は一般的に熱として放散されるため、冷却システムが必要となることがあります。この冷却システムは、コストを増加させるだけでなく、大切なスペースを占有し、不要なノイズを発生させることもあります。熱が少なく、ファンが減少 (または不要) することで、製品寿命の延長やシステム全体の信頼性向上にもつながります。

その名前が示すように、80 Plus認証が最初に導入されたとき、20%負荷、50%負荷、100%負荷で電源が少なくとも80%効率的であることのみが求められていました。この効率のレベルは現在、80 Plus Basicとして知られています。プログラムの導入以来、さらに5つの認証レベルが追加されました。現在、80 Plusプログラムは以下の認証レベルで構成されています:

これらの認証の各項目は、AC入力電圧に基づいてさらにサブカテゴリーに分けられています。これにより、メーカーは世界のさまざまな地域を対象にすることができます。これらのサブカテゴリーには、115V内部非冗長、230V内部冗長、115V産業用、230V EU内部非冗長、および380V DCが含まれます。

以下の表には、さまざまな認証レベルと3つの異なるサブカテゴリが記載されています。また、最高レベルの認証である80 Plus Titaniumは、追加の定格負荷10%を導入した点にも注目する価値があります。

電源装置は通常、定格負荷の50%から75%の間で最も効率的です。しかし、軽負荷時には電源装置の効率が大幅に低下することがあります。実際、Titanium認定を除いて、80 Plus認定の電源は負荷が20%未満の場合に効率が80%を下回る可能性があります。ただし、Titaniumレベルの認証では、すべての電源が定格負荷の10%で最低90%の効率を持つことが求められます。

電力消費を削減すること – 環境に優しくする、またはエコフレンドリーであること – はそれ自体がメリットですが、電源効率を向上させることもコスト面で重要です。サーバーファームやデータセンターは、より効率的な電源をシステムに統合することで、かなりの金額を節約することができます。

不要な電力は次の式で計算されます:

例えば、1000 Wの供給能力を持つGold認証された電源は、フルロード時に87 Wの電力を浪費します。これは、92%の効率を持つ230Vの非冗長電源を仮定しています。一方、同等の1000 W供給能力を持つTitanium認証（96%効率）の電源では、浪費されるエネルギーはわずか42 Wにとどまり、電力損失が52%削減されます。

1年は8,760時間です。電源装置がその間ずっと稼働していると仮定すると、年間の総消費エネルギーをkWh単位で計算すると、(1000 W + 87 W) * (8760 時間/年) / (1000 W/kW) = 9522 kWh/年 となります。

同様に、96%の効率を持つ電源では、9128 kWhに相当します。kWhあたり約$0.15の場合、年間394 kWhの差は一見するとそれほど大きくないかもしれません（年間1つの電源あたり約$59）。しかし、これは単一の電源だけを比較した結果であることを忘れないでください。データセンターやサーバーファームには数千の機器ラックがあり、それぞれに複数の電源が必要です。コスト削減は非常に速いペースで積み重なり、簡単に数十万ドルに達する可能性があります。

コンピューティングセンターが拡大し、アプリケーションの要求が高まるにつれ、高効率の電源はこれまで以上に重要になります。それらはコストの節約や信頼性の向上に役立つだけでなく、必要な熱およびスペースを削減することでシステムを実現可能にします。理想的なソリューションの一例には、Bel Power Solutions製のチタニウム認定電源ラインなどの電源があります。

Bel Power Solutionsは、14種類の電源ファミリーと30以上の製品を提供しており、すべてTitanium 80 Plus認証レベルを満たしています。Belの電子設計における豊富な経験により、Titanium認証取得済みのフロントエンド設計の中でも最も幅広い選択肢を提供することが可能です。異なるものが必要な場合には、Bel Power Solutionsはカスタム電源を提供するオプションもあり、特定の要件に合わせたソリューションを設計するために顧客は相談することができます。