基于100kW模塊的全新FusionPower2.0數(shù)據(jù)中心供配電解決方案,實(shí)現(xiàn)“一柜一兆瓦”(單標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜可支持一兆瓦容量),相對于傳統(tǒng)并機(jī)端到端方案節(jié)省占地50%以上,有效幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶減小供配電系統(tǒng)占地面積,提升數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)設(shè)備空間使用率,提升收益,將有效幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶“開源節(jié)流”。
在萬物互聯(lián)的智能時代,數(shù)據(jù)已成為智能世界的關(guān)鍵資源,而數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)樞紐和業(yè)務(wù)承載平臺,也成為全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。隨著數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)增長,數(shù)據(jù)中心設(shè)備功耗也在不斷攀升,綠色節(jié)能成為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵課題,降低基礎(chǔ)設(shè)施能耗更成為當(dāng)下數(shù)字時代最為迫切的需求。
數(shù)據(jù)中心對于供電穩(wěn)定性有著極高的要求,因此需要配備UPS。而華為模塊化UPS效率高達(dá)97%,同比業(yè)界96%效率的UPS,全生命周期可節(jié)省能耗500萬度。華為智能模塊化數(shù)據(jù)中心相比于業(yè)界數(shù)據(jù)中心,全生命周期內(nèi)可節(jié)省電量1000萬度。
在華為行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型大會2020上,華為面向全球發(fā)布全新UPS功率模塊,單模塊功率密度達(dá)到100kW/3U,較業(yè)界主流水準(zhǔn)提升了1倍?；?00kW模塊的全新FusionPower2.0數(shù)據(jù)中心供配電解決方案,實(shí)現(xiàn)“一柜一兆瓦”(單標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜可支持一兆瓦容量),相對于傳統(tǒng)并機(jī)端到端方案節(jié)省占地50%以上,有效幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶減小供配電系統(tǒng)占地面積,提升數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)設(shè)備空間使用率,提升收益,將有效幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶“開源節(jié)流”。
100kW/3U,1柜1兆瓦,華為如何成就極致超高密?彪悍的性能背后,暗藏哪些硬核黑科技?全方位智能優(yōu)化,華為如何引領(lǐng)UPS跨代升級?3月13日,華為舉辦了《超高密UPS模塊技術(shù)解密會》。華為數(shù)據(jù)中心能源全球營銷支持部部長韓冬為大家揭開超高密UPS模塊的神秘面紗,并通過實(shí)時連線華為團(tuán)泊洼實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行產(chǎn)品測試演示環(huán)節(jié),包括產(chǎn)品的功率模塊熱插拔、智能化管理功能、功率模塊滿載情況下的溫升測試等測試項(xiàng)目。
1 新技術(shù)驅(qū)動下的數(shù)據(jù)中心供電趨勢
隨著AI、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)中心將變得更大型、更復(fù)雜。大數(shù)據(jù),AI和IoT等ICT技術(shù)也更多的應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,如智能機(jī)器人,人臉識別等實(shí)現(xiàn)更簡便智能的運(yùn)維。
韓冬表示,云數(shù)據(jù)中心的趨勢是規(guī)模愈發(fā)增大,因?yàn)榭紤]設(shè)備投入、人員投入等影響總擁有成本(TCO)和投資回報率(ROI)的因素,在一定范圍內(nèi),數(shù)據(jù)中心規(guī)模越大,單柜的平均TCO就更小。邊緣數(shù)據(jù)中心的趨勢是數(shù)量提高,隨著5G時代來臨,用戶對體驗(yàn)更完美的追求需要數(shù)據(jù)中心具有更好的體驗(yàn),更低的時延。
伴隨IT算力持續(xù)演進(jìn),CPU和服務(wù)器功率持續(xù)提升,數(shù)據(jù)中心必將向高密化發(fā)展。比如以華為AI服務(wù)器RH2288為例,單柜功率密度從4kW/rack提高至10kW/rack,這要求供電系統(tǒng)需要跟隨IT系統(tǒng)的功率密度提升速度。但是，傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)仍存在可靠性低、能耗高、占地大、運(yùn)維難等問題。
韓冬說,基于可用性及彈性擴(kuò)容的模塊化供電是UPS市場的發(fā)展趨勢。除了模塊化的發(fā)展趨勢之外,匹配IT功率密度攀升,UPS功率密度持續(xù)演進(jìn),高功率密度也是UPS的發(fā)展趨勢?！皬氖畮啄昵暗囊还?00kW,到后來的數(shù)個模塊100kW,今天華為更進(jìn)一步,做到了單模塊功率密度100kW/3U,這將引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心供電到新的時代?！?
2 華為100kWUPS功率模塊的三大優(yōu)勢
功率模塊密度的提升就意味著整機(jī)密度的提升,100kW/3U帶來了1柜1兆瓦的高功率密度。未來IT負(fù)載將超過80%為AI負(fù)載,單位體積的負(fù)載密度持續(xù)增加,供電的高密能夠有效匹配負(fù)載密度的增加,為數(shù)據(jù)中心減少供電的占地,提升出柜率。
韓冬表示,要滿足高密,必須滿足三個要素,第一:體積小,第二,效率高,熱耗小,第三,散熱能力強(qiáng)。華為100kW UPS功率模塊在體積、熱耗、散熱等方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。在體積方面,華為創(chuàng)新專利助力更小體積,打造刀片級功率模塊。比如“拓?fù)涑鼗睂＠?體積降低40%;磁集成專利,電感體積降低20%。
傳統(tǒng)拓?fù)渲蠥C/DC和充放電器DC/DC是分開回路,采用高頻率開關(guān)器件控制(0切換),所以DC/DC要做得很大,而華為拓?fù)涑鼗脑O(shè)計思路是DC/DC充電和整流拓?fù)鋸?fù)用。
磁集成就是減少整流逆變中電感的體積,通過該技術(shù),可以將整流逆變中的電感體積降低20%。“傳統(tǒng)的電感是分立式的,類似于吃火鍋時,我要同時吃清湯和紅油的,這個時候給你提供一個鴛鴦鍋,減少了體積,也同時滿足了要求。當(dāng)然,我們的磁集成沒鴛鴦鍋這么簡單?！表n冬說。
在熱耗方面,華為100kWUPS功率模塊采用三電平于交錯并聯(lián)拓?fù)浼軜?gòu)、先進(jìn)器件優(yōu)化及數(shù)字控制技術(shù)降損耗。具體來說,傳統(tǒng)兩電平或者工頻機(jī)的6脈沖或12脈沖,已被證實(shí)器件損耗高,體積大,當(dāng)前主流廠家的高頻UPS都采用三電平拓?fù)?成熟應(yīng)用,可靠性高。
三電平技術(shù)優(yōu)勢明顯,三電平拓?fù)銲GBT、二極管和電感兩端電壓只有兩電平的一半;耐壓低的IGBT和二極管具有更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗;器件數(shù)量合適,綜合損耗低。而采用拓?fù)涞慕诲e并聯(lián)技術(shù),可以進(jìn)一步降低功率器件紋波和損耗,減少濾波電器件的體積和損耗。交錯并聯(lián)技術(shù)可以降低IGBT和二極管的紋波電流,從而降低器件損耗;減少濾波電感及電容的損耗、數(shù)量和體積,降低濾波器件損耗。
韓冬說,半導(dǎo)體部件(IGBT、二極管、晶閘管)和電感的損耗占比最高,可優(yōu)化部件損耗提高效率。華為采用第五代低損耗技術(shù)IGBT,導(dǎo)通/開關(guān)損耗降低20%;采用SIC(碳化硅)二極管實(shí)現(xiàn)零開關(guān)損耗;電感采用專利磁芯,銅損和磁損降低10%。此外,華為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無級調(diào)速,與負(fù)載率完美匹配,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化降損,而先進(jìn)數(shù)字及通信技術(shù)保障模塊均流,達(dá)到良好的一致性。
在散熱方面,華為UPS通過優(yōu)異的散熱設(shè)計,保障了系統(tǒng)強(qiáng)大的散熱能力,可在40℃長期不降額工作。華為UPS通過先進(jìn)的計算流體動力學(xué)軟件進(jìn)行仿真,預(yù)測器件、單板和系統(tǒng)的風(fēng)速及溫度場,給出合理的布局、風(fēng)道及風(fēng)扇選型方案,指導(dǎo)PCB和結(jié)構(gòu)設(shè)計,然后不斷通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化,得到最優(yōu)的散熱方案。仿真平臺避免了傳統(tǒng)熱設(shè)計中人工預(yù)估、驗(yàn)證、修改、再驗(yàn)證這樣效率低下,只能得到一個可接受的結(jié)果而非最優(yōu)效果的設(shè)計方式。
其中多物理場仿真平臺,精度較業(yè)界水平高30%。通過整流溫升仿真、逆變溫升仿真,基于三大場(電磁場(電磁兼容,信號完整性)、溫度場(風(fēng)量,風(fēng)速,溫升)、應(yīng)力場(電氣應(yīng)力,機(jī)械應(yīng)力))仿真的高計算能力仿真技術(shù),力求在各種約束條件下,輔助系統(tǒng)和模塊的最優(yōu)布局。而高精Mockup仿真,指導(dǎo)精準(zhǔn)散熱設(shè)計,借助部件(芯片,半導(dǎo)體)內(nèi)部建模,實(shí)現(xiàn)IGBT內(nèi)部晶元的精確熱流密度設(shè)計。
為了增強(qiáng)散熱效果,華為通過系統(tǒng)和部件極致設(shè)計及布局實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)散熱能力。在散熱器上設(shè)置波紋,增強(qiáng)對流散熱系數(shù),散熱能力可提升10%。而通過風(fēng)扇與風(fēng)道合理匹配,精細(xì)化風(fēng)量控制等措施,風(fēng)扇的散熱能效比得到了大幅提升。華為通過“海洋式”溫度采樣與數(shù)據(jù)運(yùn)算,多點(diǎn)無死角調(diào)控散熱;器件全覆蓋全工況測試,IGBT、電感、二極管和母線電容溫度裕量大。
3 華為助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶“開源節(jié)流”
華為100kW UPS功率模塊，將有效幫助數(shù)據(jù)中心行業(yè)客戶“開源節(jié)流”:通過高密化的設(shè)計，F(xiàn)usionPower2.0數(shù)據(jù)中心供配電解決方案1200kVA的系統(tǒng)只需12個功率模塊，實(shí)現(xiàn)“一柜一兆瓦”，考慮UPS輸入輸出配電，端到端系統(tǒng)方案從8柜減少為4柜，節(jié)省占地超過50%。對于ISP行業(yè)，更多的業(yè)務(wù)空間意味著更高的收入，以部署10套1200kVA的華為Fusion Power2.0系統(tǒng)為例，可節(jié)約40柜位空間，每年幫助ISP客戶增加400萬元人民幣的收入。
FusionPower2.0相比于業(yè)界傳統(tǒng)600k兩并機(jī)方案功率密度可提升50%,考慮輸入輸出配電的工況,業(yè)界傳統(tǒng)需要2個輸入柜,4個UPS柜以及兩個輸出柜,而FusionPower1200kVA方案只需要一個輸入柜,一個輸出柜即可,8柜變4柜。
FusionPower 1200kVA機(jī)型的寬度僅1600mm,相比于主流機(jī)型,占地減少50%,同時對維護(hù)空間要求更低。FusionPower系統(tǒng)效率高達(dá)97%,1%效率提升生命周期節(jié)省電費(fèi)40多萬。FusionPower通過對關(guān)鍵部件的冗余設(shè)計可實(shí)現(xiàn)無單點(diǎn)故障,冗余部件還支持熱插拔,可以非常便捷的更換維護(hù),相比于傳統(tǒng)塔機(jī)必須下電維護(hù),功率單元無冗余,以及整機(jī)運(yùn)維等設(shè)計,模塊化UPS具有更高的可靠性。此外,FusionPower iPower全鏈路監(jiān)控,變被動為主動AI預(yù)測性維護(hù)。
FusionPower最大易用性,來源于模塊化。模塊化第一個優(yōu)勢是易擴(kuò)容,擴(kuò)容平穩(wěn),無斷電風(fēng)險,只需提前預(yù)留好配電即可。模塊化第二個優(yōu)勢是易維護(hù)。任何設(shè)備不可能不壞,所以我們可靠性設(shè)計的原則是最好不出問題,出了問題不要影響業(yè)務(wù)，影響了業(yè)務(wù)能夠快速恢復(fù)。出了問題能夠快速修復(fù)即使易用性的問題，也是可靠性的問題。
對于模塊化UPS模塊故障,只需要取出故障模塊更換即可,只要維護(hù)人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)就可以進(jìn)行維護(hù),不像傳統(tǒng)塔式UPS必須由廠家專門的技術(shù)人員維護(hù)。華為的模塊化UPS另一個優(yōu)勢是,除了功率單元可以熱插拔外,還盡可能擴(kuò)大模塊化的范圍,比如能源控制單元和旁路模塊都支持熱插拔,5min即可完成在線維護(hù)。
2012年華為開始推模塊化,隨著鋰電“風(fēng)口”的來臨,華為又推出了智能鋰電解決方案。作為UPS的最佳伴侶,未來華為將從單純的提供UPS部件向同時為客戶提供UPS和智能鋰電一體化解決方案。
極致高密FusionPower2.0聯(lián)合華為高能量密度SmartLi智能鋰電,相對于傳統(tǒng)供電方案，考慮前后維護(hù)空間，實(shí)際節(jié)省占地面積超過50%。同時，整體解決方案全模塊化設(shè)計，支持插拔式維護(hù)，SmartLi獨(dú)有的主動均流技術(shù)，支持新舊電池組混并，聯(lián)合華為FusionPower模塊化UPS可實(shí)現(xiàn)真正的在線功率和備電的分期擴(kuò)容。比如第一期為600kW負(fù)載10min備電部署1.2MW框架和6個100kW功率模塊,配套6個空鋰電柜,其中3個配置鋰電池模塊,另外三個連接好線纜。第二期擴(kuò)容至1200kW,10min備電,只需要增加6個100kW功率模塊和剩余3個柜的鋰電池模塊即可。
SmartLi采用業(yè)界安全環(huán)保的磷酸鐵鋰電芯,熱失控不起火,智能均壓控制技術(shù),確保單電池模塊故障系統(tǒng)可正常運(yùn)行,保證系統(tǒng)可靠性。通過自帶的三維立體防護(hù)BMS(Battery Management System)電池管理系統(tǒng),保障鋰電可靠性,配合華為FusionPower和智能網(wǎng)管可有效降低OPEX。
華為將繼續(xù)深耕智能化，采用更多的AI技術(shù)，在聲音識別、圖像識別等手段上創(chuàng)新，通過智能化手段提升運(yùn)維效率和供電系統(tǒng)可靠性。除了部件的模塊化，華為在今年還將推出更加融合、更加智能的電力模塊解決方案，為客戶提供一個端到端的一體化供配電解決方案。
韓冬表示:“得益于強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力與電源行業(yè)的豐富經(jīng)驗(yàn),華為持續(xù)投入研發(fā)創(chuàng)新,突破更高功率密度,從未止步,滿足云時代的大型數(shù)據(jù)中心對供電極簡架構(gòu)、極高可靠、極簡運(yùn)維的新需求,幫助客戶快速完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型?！?
（來源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志）
