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维谛800V DC电源架构解析 0521
蓝白相见 / 05月26日 08:04 发布
1、800V DC电源架构背景与需求
架构升级原因:传统基于54伏最末端总线的配电架构,是为几十个到100个千瓦的拓扑设计,当开放架构下的机柜功率达到一兆瓦级别时,54伏配电无法满足需求,因此NV决定做新的800伏架构,以支持一兆瓦的末端系统和大型AI factory方案。
生态合作伙伴:半导体方面有TI、MPS、英飞凌等;机柜内末端电源合作伙伴包括delta、台达、先锋领航莱昂和麦格米特;房间级系统级合作伙伴有伊顿、施耐德和Vertiv。
2、现有系统挑战
空间问题:当前PSU空间密度小,如33千瓦到明年可能72千瓦,若要支持到800千瓦甚至过载到一兆瓦以上,需十几条power shelf才满足百分百供电且无冗余,增加冗余则占U位过多,影响IT设备放置空间,末端电源与IT最好不要放在一个柜子里。
电流过大:54伏面临的最大挑战是电流过大,NV提出铜过载概念,虽其数据可能有争议,但一兆瓦的rack中铜母线槽用量大,1兆瓦的数据中心使用50万吨铜不现实,铜用量是很大挑战。
转换环节过多:现有的AC - DC、DC - AC、AC又转DC链路转换过多,导致系统效率低、耗电量大,且可靠性下降,故障风险点增多,成为系统瓶颈。
3、800V HVDC架构特点与优势
架构演进:前端有动力房进行AC转DC转换,形成内部微电网,通过800伏直流小母线将电送到数据中心,机柜内部也采用800伏总线,最后连接IT机柜,中间减少电力变换装置,仅保留过流保护和必要断路器,实现最小化能源转换。
效率与可靠性提升:减少端到端链路变换次数,可实现5%的效率提升;减少PSU使用量,缩减拓扑,提高可靠性,降低运维风险,减少零部件投资;减少链路也增加了可靠性,解决空间不够的问题。
低铜用量:从415伏AC转到800伏DC配电,同样线缆容量下,可提升85%载流量,或在同样电流情况下,大幅度减少铜用量,能减少45%的用铜量,降低材料成本、提升效率、减轻重量。
解决空间问题:800伏进入机柜后,后端减少AC - DC部分,仅保留一个DCDC,减少一半以上变换器,减少IT在柜内非IT部分的站位,解决空间不够的问题。
4、架构实施挑战与时间表
实施挑战:800伏直接进入转换器存在高压安规问题,可用隔离模块解决,但要考虑热插拔保护和空间;若用推挽方案,可能仍存在54伏母线情况;最成熟方案可能是中间有过渡期,如200 - 300千瓦用液冷Busbar,再下级做800伏转54伏板级高频电源。此外,该方案需要生态变化,生态链准备可能需一年半到两年时间完善,还需借鉴其他行业直流产业成熟经验,建立新架构。
时间表:配合caber的rack scale的system,NVIDIA计划在2027年实现该方案,且已与生态链企业对齐。
5、相关技术与方案
干冷器:外冷源部分,国内阿里等在积极推动其产品落地,相比传统冷塔,干冷器性能相对简单,关键价值在于可减少用水量,解决大用水严峻问题。
mniverse:在数据中心搭建中起重要作用,如Vicor与其合作的前期建设,设备和管路都用Omniverse做3D数字孪生方案,信号系统上传给NVIDIA控制器,实现真3D运维管理平台,实时查看系统运行状态,未来数字孪生在制造业应用的核心软件基座,进入NVIDIA链的供应商需具备此数字孪生能力。
风冷与液冷方案:650千瓦风冷型数据中心方案可满足风冷需求,新卡面临旧数据中心难以全部改液冷的挑战,DGX保留风冷方案且B200已有落地;液冷方案引入One Water,可利用自然冷源,降低外部冷机占地和用量,提高能效、降低电力消耗,但配电密度大带来挑战,提高电压可解决部分问题,同时带来柔性小母线、工业连接器等密集配电方案的新机会。
冷板技术:国内供应链在冷板技术方面有机会,如通过3D打印、增材技术做微通道,仿生流道设计减少流阻,采用新型铜与碳等混合材料提高导热率、降低热阻,即使单向冷板也有应用机会。
6、大厂方案与行业趋势
谷歌方案:谷歌、meta和微软形成OCP联盟,下一代技术路线是side car的distribution正负400伏方案,交流配电可能会抬高到600伏、690伏等,到rack 4时,前端是去掉工频变压器的纯电子变换器,后端是正负400伏架构,与800伏方案各有利弊,转HVDC生态可参考储能新能源行业。
meta方案:meta的OCP high power rack从第二代48伏配电,到第三代480伏side car方案,将PSU和BBU挪到旁边柜子,第四代采用HVDC正负400伏方案,预计2026年Q2落地,各代功率支持能力不同,V4理论可支持到1600千瓦。
行业趋势:英伟达将来液冷方案会遵从OCP通用架构,HVDC模块形态不重要,关键是功率密度,配电插机箱形态可能发生变化,近期生态或有剧烈技术迭代。
7、供应商配套情况
液冷层面:制冷集成商如Aavid、Goodman、Cooler Master等为客户提供整套制冷方案并集成,上游供应链在冷板、接头、管路等零部件方面有机会,部分果链企业在豁免清单,不影响给下游台厂供应零部件。
母线与eFuse:直流化后eFuse是必需的,在液冷中可能大规模使用,国内企业在上游零部件选型方面有机会;Bus way涉及铜排、母排、工业连接器等,虽大厂如施耐德、ABB能做,但上游铜排等材料国内供应商可参与,且在材料升级方面有空间。
国内产业进度:国内受限于卡的情况,机柜热密度不高,新BAT整机柜功率密度在60千瓦左右,原240伏高压直流已升至270伏,但规划的400伏产品未落地,下一步是否直接到800伏,BAT未给出明确路线,供应商根据其变化而变化。
Q&A
Q:谷歌800V三相线方案挂负载的情况以及电源适配要求是怎样的?
A:如果是正负400伏,可以选单边或两边挂负载;如果是800伏,则是单边800伏,可减小电流。不过后面的电源需要做一些适配。
Q:Meta的high power rack各代方案有什么特点,功率和落地时间情况如何?
A:第二代是48伏配电的独立柜子;第三代是480伏(也有用到600伏水平),把PSU和BBU挪到旁边柜子,后端是set card,最大支持约两百多个千瓦;第四代采用HVDC,按照Meta宣布时间,26年Q2落地,是正负400伏方案,理论上可支持到1600千瓦。V2代会升级PSU从5.5千瓦到12千瓦,明年单向72千瓦柜子出来,功率最大支持到190千瓦,会增加超容做功率平滑;V3代是50伏的set card方案,最大支持到250千瓦,后端设备不变,仅将PSU和BBU挪到旁边柜子;第四代直接到800千瓦和一兆瓦以上,是正负400伏的电源柜及IP柜,升级到中压方案。
Q:Meta high power rack产品规格中配电情况和关键产品是什么?
A:上面是480伏三相的AC的80位(一般电流800安,以前也有1200安),有插接箱,顶部向下垂直配电。set card方案是两条电路横向连接到50伏做横向并联,两个柜子是50伏总线并联。到250千瓦功率时,3000安以上要用铜排busbar,铜排busbar在机柜里是不可或缺的产品。
Q:HVDC模块做成抽屉型(砖型)还是柜型有无要求?
A:形态无所谓,关键是功率密度,要看能否在10U的800宽高度下,达到800伏800千瓦的密度,只要能做到就可以。之后会根据动态情况配置BBU跟超容组件来适配需求,更好的方式是通过模块环路能力的提升,减少对被动储能组件的需求。
Q:V2版本从5.5千瓦直接到12千瓦,跳过了部分厂商推进的8000瓦,这是谷歌自己的方案,还是大家已形成一致判断,以后其他厂商也不会有8千瓦,直接上12千瓦?
A:理论上来讲不能这么绝对,但从OCP的路径来看没有8千瓦这一代了,直接就是12千瓦。
Q:液冷层面除冷板外其他重要核心环节,国内有替代的可能性吗?
A:IT方面不太熟,IC的合作方式中,最核心的是像富士康(工业互联)和广达这样的集成商,其上是制冷集成商即制冷解决方案供应商,如Aavid、Goodman、台达等,他们提供整套方案包括接头联管等设备的集成。再往上是零部件,包含冷板、接头和液冷管等,中国的供应链有机会。走访果链发现其在豁免清单里,不影响给下游台厂供应零部件,可以研究Aavid和Cooler Master的上游供应链,应该会有中国企业提供零件级别的产品,包括接头、连管、冷板及材料等。
Q:母线和eFuse在供应商层面会有新的变化吗,尤其是eFuse?
A:eFuse在直流化后是必须的,和交流配电不同,在液冷中可能会大规模使用。HVDC的供应商或后级配电选型时,国内企业做好的话有机会。Bus way主要材料是铜排、母排、工业连接器等,很多公司能做,大厂如施耐德、ABB也能做,施耐德上游的铜排等国内供应商可以做,属于零件级。而且Bus way有升级空间,如铜材料的混合材料升级,在降低重量、提高效率和改善性能方面,有好材料的公司有机会。不过算力产业规模小,和消费电子不在一个体量。
Q:目前大陆的800伏HVDC产业大概进度如何,和北美相比有什么相同和不同的地方?
A:国内受限于卡的情况,机柜热密度没那么高,新BAT三家最大的整机柜功率密度在60千瓦左右,在此条件下方案不用升级。原来用240伏高压直流的已升到270伏电源线,但规划的400伏新产品未落地,新方案只是增大模块,电压等级还是270伏左右。BAT没有明确下一步是否直接到800伏的路线,字节系用交流架构,另外两家还用270伏电母线架构,供应商跟着他们的变化而变化。
Q:英伟达若根据国内市场研制特定的卡,会给国内的BAT带来什么样的变化?
A:因为没看到中国定制款产品的规格和整体方案,所以不好判断。目前能规划的功率没到100千瓦,而出现挑战要到300千瓦以上才会考虑用HVDC方案,国内和国外有代差,需求差别比较大。调研纪要更新