偉創(chuàng)力嵌入式和關(guān)鍵電源事業(yè)部總裁Chris Butler

對于計劃擴容的數(shù)據(jù)中心運營商而言，確保電網(wǎng)接入無疑是首要任務(wù)。畢竟，無電則無數(shù)據(jù)中心是行業(yè)共識。然而，人工智能（AI）和高性能計算（HPC）對電網(wǎng)帶來的超高需求，正使另一個問題迅速凸顯：電力質(zhì)量。盡管運行傳統(tǒng)工作負載的數(shù)據(jù)中心已在很大程度上解決了電力質(zhì)量問題，但隨著計算性質(zhì)的變化，AI/HPC應(yīng)用正帶來全新挑戰(zhàn)。

數(shù)據(jù)中心依賴持續(xù)、不間斷的電力來保障運行時間、保護設(shè)備并維持運營效率。確保高電力質(zhì)量是電力公司和數(shù)據(jù)中心運營商共同的責(zé)任。本文將探討影響電力質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以及運營商在AI時代可采取哪些措施來保護其設(shè)施、降低財務(wù)風(fēng)險，并成為電網(wǎng)共享體系中的好鄰居。

電力質(zhì)量特性及其后果

電力質(zhì)量指的是供應(yīng)至數(shù)據(jù)中心電力的可靠性、穩(wěn)定性與潔凈度。計算密集、時間敏感的AI處理與推理任務(wù)尤其易受電壓波動、頻率偏差、諧波、斷電及瞬態(tài)（突發(fā)）事件等電力異常的影響，其后果可能立竿見影且極為嚴(yán)峻。

劣質(zhì)電力可能會引發(fā)一系列問題：

• 處理器報錯、內(nèi)存不穩(wěn)定及存儲系統(tǒng)故障，進而造成數(shù)據(jù)訪問中斷與結(jié)果損毀
• 訓(xùn)練結(jié)果既不可靠也不可復(fù)現(xiàn)，延遲大幅攀升和系統(tǒng)超時，最終影響模型與算法的完整性
• 節(jié)點故障波及跨多服務(wù)器運行的大型AI工作負載
• 電壓驟降引發(fā)系統(tǒng)重置或活動會話丟失
• 高密度AI機柜中電源單元或轉(zhuǎn)換器過熱
• 系統(tǒng)為保護組件而觸發(fā)熱降頻甚至熱關(guān)斷
• 變壓器故障——其停機代價尤為高昂，目前新變壓器的交付周期可達兩至四年，即便對采用冗余系統(tǒng)的運營商亦是重大風(fēng)險

電網(wǎng)本非因此而建

電網(wǎng)的設(shè)計初衷是應(yīng)對典型的供需周期，平滑峰谷、適應(yīng)波動。盡管將能源轉(zhuǎn)化為可用電力并可靠配送的過程本質(zhì)復(fù)雜，電網(wǎng)在多數(shù)情況下仍能良好履行這一職責(zé)。

然而，全球多數(shù)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建于20世紀(jì)六七十年代，那個時期的用電需求更易預(yù)測與管理。當(dāng)時主流的白熾燈、交流電機和模擬設(shè)備所產(chǎn)生的電力負載呈線性特征，不會破壞電力質(zhì)量，且設(shè)備消耗的電流與施加的電壓呈正比。

現(xiàn)代數(shù)字環(huán)境則截然不同。以服務(wù)器、LED照明和變頻暖通空調(diào)為例，它們產(chǎn)生非線性、尖峰式負載，需要更精細的電力質(zhì)量管理。與過去規(guī)律的日峰和季節(jié)性特征不同，由于AI數(shù)據(jù)中心、加密貨幣挖礦及“萬物電氣化”趨勢帶來的需求波動，電力尖峰可能隨時發(fā)生。

此外，電網(wǎng)自身還需應(yīng)對太陽能、風(fēng)能等可再生能源的不可預(yù)測性——其波動遠甚于化石燃料或水電。系統(tǒng)因此充斥著更多不確定性，而傳統(tǒng)的公用事業(yè)規(guī)劃框架并未將這些因素納入考量。

數(shù)據(jù)中心與共享資源之爭

理解AI時代數(shù)據(jù)中心的電力消耗，可以這樣此喻：每次開關(guān)操作都會擾動能量流動——開、關(guān)、開、關(guān)。

這本質(zhì)正是微芯片的工作方式，只是當(dāng)今先進芯片每秒開關(guān)電流數(shù)十億次，且在此過程中消耗巨大電能。考慮到單個超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可能部署數(shù)百萬GPU、CPU、NPU和TPU，電力公司面臨的挑戰(zhàn)可見一斑。

根源何在？ 因為電網(wǎng)是共享資源。電力工程師基于三大技術(shù)考量——電力質(zhì)量、可靠性及供需平衡——來設(shè)計與維護電網(wǎng)，服務(wù)于從家庭、小型企業(yè)到龐大科技園區(qū)和大型制造工廠的所有用戶。任一用戶造成的擾動都會影響全局。

“臟電”：數(shù)據(jù)中心是元兇嗎？

簡而言之，有時確實是。通常，電壓呈現(xiàn)為平滑周期性振蕩的滾動波——即正弦波（圖1中綠線）。上世紀(jì)90年代中期確立的關(guān)于諧波電流、電壓閃變等因素的穩(wěn)態(tài)負載國際標(biāo)準(zhǔn)，曾為數(shù)據(jù)中心運營商提供良好指引，部分運營商甚至為自身設(shè)施設(shè)定了更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。

但AI模型導(dǎo)致用電量出現(xiàn)大規(guī)模驟增，使得數(shù)據(jù)中心內(nèi)安置服務(wù)器、存儲及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“白空間”成為失真源?？焖佟⒉痪鶆虻碾娏γ}沖會產(chǎn)生諧波，扭曲電壓波形（藍線與黃線）。

這如同持續(xù)向小池塘投入大小不一的石子，漣漪在從岸邊反彈時相互碰撞扭曲。服務(wù)器中用于穩(wěn)壓的高頻開關(guān)更增添了額外電氣噪聲。而極端天氣（如熱浪）會進一步放大諧波——當(dāng)變頻驅(qū)動器（VFD）調(diào)節(jié)供應(yīng)至冷卻風(fēng)扇（位于數(shù)據(jù)中心配電、冷卻系統(tǒng)和發(fā)電機所在的“灰空間”）的電力頻率與電壓時。借用一句名言：“我們已經(jīng)遇到了敵人，那就是我們自己?！?/p>

若未經(jīng)過恰當(dāng)濾波，這片混沌將回饋至電網(wǎng)本身，不僅干擾數(shù)據(jù)中心自身供電，更波及電網(wǎng)上的所有用戶。電力質(zhì)量問題可能損壞醫(yī)院、工廠、電信網(wǎng)絡(luò)等處的敏感設(shè)備，變壓器故障甚至可能導(dǎo)致整個區(qū)域斷電。

含有大量諧波、電壓失真、瞬變、三相不平衡及其他異常的“臟電”，還會加劇能量損耗，其根源在于發(fā)電與輸電效率的同步下降。諧波會導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱，進而引發(fā)連鎖效應(yīng)，對數(shù)據(jù)中心的電能使用效率（PUE）產(chǎn)生顯著負面影響：能損攀升、能效下降、額外冷卻需求上升、功耗激增。

圖1.諧波失真

真實案例與次諧波新解

盡管以AI為核心的數(shù)據(jù)中心仍屬少數(shù)，麥肯錫公司預(yù)測，到2030年，約70% 的新增數(shù)據(jù)中心容量將用于支持先進AI工作負載。Uptime Institute調(diào)研亦顯示，74%的托管服務(wù)提供商已投資基礎(chǔ)設(shè)施升級以滿足客戶AI需求。AI與HPC應(yīng)用的需求催生機遇，但也因新挑戰(zhàn)的出現(xiàn)讓運營商按下“暫停鍵”。

例如，某超大規(guī)模運營商告知，其數(shù)據(jù)中心的建設(shè)可能導(dǎo)致周邊200英里半徑內(nèi)的電力擾動。類比而言，若該數(shù)據(jù)中心位于巴黎，其影響范圍將遠至布魯塞爾和倫敦郊區(qū) [圖2]。另一運營商則表示，其今年計劃采購的發(fā)電機總量足以支撐芝加哥全市（270萬人口）的用電。

圖2. 法國巴黎周邊200英里半徑示意圖

偉創(chuàng)力正與超大規(guī)?？蛻魯y手開發(fā)解決方案，以應(yīng)對AI/HPC計算帶來的諸多挑戰(zhàn)。其中一項突破性技術(shù)便是電容儲能系統(tǒng)（CESS）。這項新技術(shù)能在電力負載突變引發(fā)大幅功率瞬變（如電壓或電流浪涌）時，為電力供應(yīng)提供支撐并維持其穩(wěn)定性。

測試發(fā)現(xiàn)，雖然AI工作負載引發(fā)的諧波問題可通過多種方式緩解，但次諧波問題尤為突出——這并非電源系統(tǒng)自身導(dǎo)致，而是負載波形通過電源反射形成。次諧波是頻率低于基頻的振蕩，負載脈沖會加劇其產(chǎn)生。盡管聽似無害，次諧波不僅會降低電力質(zhì)量、引發(fā)本地發(fā)電機故障，還可能引起 DC/DC轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定、導(dǎo)致過熱及設(shè)備過早損壞——而現(xiàn)有解決方案如有源諧波濾波器、諧波抑制變壓器和UPS系統(tǒng)均無法解決此問題。

Flex CESS能有效抑制次諧波，且不會放大電力和冷卻需求，或縮短運行AI/HPC工作負載的芯片壽命 [圖3]。這不僅解決了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的電力質(zhì)量和可靠性問題（如文初所述），更能防止次諧波對電網(wǎng)本身造成負面影響。

圖3. 輸入功率諧波分析 — 0.1 Hz脈沖/占空比=20%

偉創(chuàng)力還與Comsys合作，利用其有源動態(tài)解決方案（ADF系列）監(jiān)控數(shù)據(jù)中心供電，每秒數(shù)千次補償電氣缺陷，以降低電壓擾動、穩(wěn)定電網(wǎng)。

凈化電力，方能輕裝前行

運行AI/HPC工作負載的運營商必須找到合適的方式，在不影響其他所有用戶電力供應(yīng)穩(wěn)定性的前提下開展業(yè)務(wù)。隨著數(shù)據(jù)中心負載不斷攀升，電力公司正在更新并網(wǎng)規(guī)則，部分甚至要求提交經(jīng)驗證的負載模型。

在算力激增、數(shù)據(jù)中心遍布的當(dāng)下，“防患于未然”是公認的金科玉律。一般而言，電網(wǎng)是臟電的接收端。若電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施過時或超載，擾動將回傳至源頭及其他用戶，這不僅構(gòu)成財務(wù)與運營風(fēng)險，更危及企業(yè)聲譽。

數(shù)據(jù)中心運營商凈化電能、履行責(zé)任，符合自身根本利益，具體措施包括：

• 開展諧波前瞻咨詢：在系統(tǒng)設(shè)計階段提前評估諧波可能帶來的影響，前瞻性規(guī)避潛在問題，并制定易于擴展升級的敏捷策略
• 統(tǒng)籌次諧波治理：不僅關(guān)注諧波，更將次諧波納入考量，并采用如Flex CESS等方案予以抑制
• 部署智能濾波器：配置可持續(xù)監(jiān)控電流、在檢測到諧波時注入抵消信號的“智能”有源諧波濾波器，阻止諧波注入電網(wǎng)
• 應(yīng)用功率因數(shù)校正：使用電容器組或動態(tài)補償系統(tǒng)等功率因數(shù)校正設(shè)備，減少電氣“溢泄”，提升系統(tǒng)能效
• 安裝隔離變壓器：通過隔離變壓器將噪聲與諧波限制在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部
• 攜手電力公司：通過智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)，預(yù)測并平滑大型AI負載
• 嚴(yán)守并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：遵循IEEE 519（美標(biāo)）、EN 50160（歐非中東）等對諧波失真水平設(shè)限的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（未達標(biāo)可能導(dǎo)致經(jīng)濟處罰），以及涵蓋電磁干擾（EMI）發(fā)射與接收的IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)級挑戰(zhàn)，系統(tǒng)級解決

高質(zhì)量電力供應(yīng)如同無名英雄——當(dāng)電力質(zhì)量良好時一切如常：燈亮了，設(shè)備運轉(zhuǎn)。但自電力質(zhì)量開始下降那一刻起，問題便接踵而至。它們可能悄然而至，如未被察覺卻導(dǎo)致遠端設(shè)備莫名故障的諧波；它們也可能以更明顯的方式現(xiàn)身，如引發(fā)即時（有時不可逆）業(yè)務(wù)中斷的電壓驟降或變壓器熔毀；它們也可能以另一種形式出現(xiàn)——一家知識豐富、積極主動的電力公司，努力在所有利益相關(guān)方之間實現(xiàn)平衡。

電力質(zhì)量是系統(tǒng)級問題，需要系統(tǒng)級解決方案。偉創(chuàng)力與領(lǐng)先芯片公司及數(shù)據(jù)中心客戶緊密合作，針對產(chǎn)品路線圖與架構(gòu)演進，前瞻性地應(yīng)對可預(yù)見的電力質(zhì)量挑戰(zhàn)。憑借涵蓋關(guān)鍵電源、嵌入式電源產(chǎn)品及直觸芯片冷卻解決方案的完整產(chǎn)品組合，我們獨到的視角貫穿從電網(wǎng)到芯片的全鏈路，為客戶提供寶貴洞察，助力構(gòu)建復(fù)雜問題的全面解決之道。

本文翻譯自偉創(chuàng)力嵌入式和關(guān)鍵電源事業(yè)部總裁Christopher Butler的文章，于2025年9月22日發(fā)表。