隨著GPU功耗的持續(xù)攀升，AI服務器環(huán)境中的供電需求不斷增長，本文圍繞此趨勢展開討論。文中重點闡述了供電架構從48V向800V的轉型變化，并探討了隨著數據中心基礎設施的演進，ADI在高壓熱插拔保護領域的持續(xù)創(chuàng)新成果。

數據中心熱插拔控制器的未來發(fā)展

隨著AI工作負載不斷加重，服務器環(huán)境中的GPU催生了前所未有的供電需求，推動機柜級供電架構向800V轉型。這種高壓架構為系統(tǒng)保護與監(jiān)控帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在托盤帶電插拔的過程中。為應對這些挑戰(zhàn)，需要新一代熱插拔控制器：不僅要具備管理高壓浪涌電流的能力，還要能提供可靠的遙測功能，以支持系統(tǒng)診斷與安全防護。ADI公司在12V與48V熱插拔技術領域是公認的領軍企業(yè)，如今正將這方面的技術專長拓展至800V領域，以支持行業(yè)向高壓架構轉型。

為何800V架構至關重要？

在AI服務器基礎設施中，有兩大核心趨勢正推動機柜級供電向更高電壓轉型。

GPU功耗持續(xù)攀升：隨著GPU的計算性能不斷提升，其供電需求也在大幅增加。

單機柜計算密度增高：為實現大規(guī)模AI訓練與推理場景下的性能最大化，并盡可能降低互聯(lián)延遲，越來越多的GPU被整合到單個機柜中。這種共置方式通過縮短加速器之間的數據傳輸路徑，不僅提升了帶寬效率，還減少了通信開銷。

為滿足由此激增的機柜級供電需求，行業(yè)正逐漸轉向分布式供電架構。在這種模式下，傳統(tǒng)供電元件（如配電單元(PDU)、電池備份單元(BBU)與電容單元(CU)）不再部署在IT主機柜內，而是轉移至相鄰的供電側柜(sidecar)中。這種分離設計不僅支持800V等更高電壓的電力傳輸，還能騰出機柜內的寶貴空間，用于容納更多計算資源。

現有的供電方式

AI機架采用48V匯流排進行供電（見圖1）。交流電通過機柜內的電源單元(PSU)轉換為48V直流電源(VDC)。48V匯流排為以下設備供電：IT設備（包括服務器PSU、GPU節(jié)點、交換機）、自帶雙向直流-直流轉換器的電池備份單元(BBU)，以及用于快速暫態(tài)支撐與瞬態(tài)處理的超級電容單元(SCU)。

圖1. 數據中心48V機柜供電架構。

機柜上的每個節(jié)點（例如服務器托盤）都需要具備在設備運行狀態(tài)下實現接入與斷開的能力。試想這樣一個場景：一名技術人員到現場更換服務器。為了更換單臺服務器而關閉整個機柜是不可行的。這種操作會對數據中心的運行造成極大干擾，更不用說服務器停機帶來的巨額損失了。只有在出現重大電力問題（如匯流排或設施供電相關故障）時，才會將機柜下線。除此之外，節(jié)點均采用熱插拔方式：技術人員無需關閉其他任何設備，即可取下待更換節(jié)點、完成替換并重新裝回。

在此過程中，節(jié)點的熱插拔控制器會在內部切斷電源，確保節(jié)點可安全移除。而機柜的匯流排仍保持通電狀態(tài)，繼續(xù)為其他所有節(jié)點、BBU及SCU供電。當替換節(jié)點安裝到位后，預充電電路會在完全接通前限制浪涌電流，這也是熱插拔控制器的一項關鍵功能。隨后，替換節(jié)點會自動啟動并重新接入AI集群（通常由編排工具負責負載再平衡）。

圖2展示了AI服務器從48V匯流排到處理器的供電分配情況，其中清晰地將熱插拔控制器標注為“首個接口”，讓技術人員能夠安全、高效地移除節(jié)點。

圖2. 48V AI服務器。

ADI公司擁有豐富的48V熱插拔控制器產品系列，具備PMBus電源監(jiān)控功能，例如LTC4286與LTC4287二者均為7 mm × 7 mm QFN封裝的熱插拔控制器，分別采用單柵極與雙柵極架構。最近，該產品系列又新增了LTC4284雙柵極解決方案，其封裝規(guī)格為5 mm × 8 mm QFN。

向更高電壓演進

隨著AI處理器的功耗不斷增加，機柜級高壓直流配電正成為新的發(fā)展方向。ADI公司站在技術前沿，并與行業(yè)領先企業(yè)緊密合作，共同解決相關難題。

機柜側已定義新的配電電壓等級（±400V或800V），由供電側柜直接輸送至IT機柜。圖3展示了這一擬議架構。

圖3. 數據中心±400V/800V機柜供電架構。

機柜級電壓向更高水平轉型的主要驅動力，是單機柜不斷攀升的供電需求。隨著供電功率增加，流經匯流排的電流也會相應增大。為維持符合要求的熱性能與電性能，電流增大意味著需要更大、更重的匯流排，而這在機械實用性與系統(tǒng)設計層面帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過提高供電電壓，所需電流可按比例降低，從而能夠使用尺寸更緊湊、更易管理的匯流排及互聯(lián)元件。這種向更高電壓的轉型，對于在下一代AI服務器機柜中實現可擴展、高效且機械可行的配電至關重要。

值得注意的是，這種架構演進過程中可能存在過渡階段：機柜內仍使用48V匯流排。在此情況下，PSU會升級至更高功率規(guī)格，在機柜側接收±400V/800V電壓，然后降壓轉換為48V，以適配現有的48V匯流排。但這并非長期方案，因為其供電能力存在局限（單機柜功率可能最高僅達250kW）；而行業(yè)目標是實現單機柜算力最大化，到本十年末將單機柜供電功率提升至1MW。因此，PSU與BBU最適合部署在IT計算機柜外部，如圖3所示。

未來，固態(tài)變壓器有望投入使用，可直接向每個IT計算機柜分配高壓，無需再依賴這些供電側柜。

熱插拔技術邁向新高度

ADI公司在數據中心電源領域擁有深厚的專業(yè)技術積淀，正與云服務提供商及半導體制造商合作，共同開發(fā)下一代機柜級高壓供電解決方案。

要實現高壓熱插拔，需明確諸多設計考量，也需攻克各類技術難題，方能打造出最優(yōu)解決方案。

功率密度：功率密度是關鍵因素：因為±400V/800V熱插拔電路最終需集成在IT機柜內的服務器卡上。這些服務器卡的空間極為寶貴，且隨著機柜密度提升（即在單個機柜內集成更多服務器），空間限制將愈發(fā)嚴格。因此，高壓熱插拔解決方案必須設計為占用盡可能小的空間。

高壓控制與保護：向±400V及800V電壓轉型，帶來了嚴峻的安全挑戰(zhàn)。48V電壓的觸電風險極低，而高電壓則可能危及生命。因此，熱插拔電路必須在微秒級時間內處理大幅電流浪涌，精準控制變得至關重要。管控浪涌電流上升斜率是核心，這能避免機柜設備損壞，同時保障技術人員安全。此外，系統(tǒng)還需協(xié)調時序、檢測過流或欠壓事件，并在必要時實現平穩(wěn)關機。

遙測：作為節(jié)點供電路徑中的首個元件，熱插拔控制器是數據采集的理想位置。它必須精準測量電壓、電流與功率，以滿足系統(tǒng)規(guī)格要求，同時還需記錄過流、欠壓、熱關斷等事件日志。此外，熱插拔制器還應上報功率開關(MOSFET)或附近印刷電路板(PCB)區(qū)域的溫度數據。精準的熱插拔遙測技術能為系統(tǒng)帶來顯著價值：通過實時分析負載電流，改善能源需求預測。熱插拔環(huán)節(jié)收集的歷史電流數據，既支持預測性維護（例如在PSU觸發(fā)故障前識別異常），也能為機柜級配電容量規(guī)劃模型提供數據支撐。ADI公司正積極開發(fā)新型高壓熱插拔控制器解決方案，以支持新興的機柜級供電架構。依托在電源保護與遙測領域經過驗證的知識產權，ADI正將自身的技術能力拓展至±400V與800V領域。通過與領先的數據中心OEM及功率開關供應商合作，ADI公司的下一代解決方案在設計上充分滿足熱插拔系統(tǒng)不斷演進的需求，包括緊湊的外形尺寸、精準的大功率控制及更高的數采精度。這些創(chuàng)新對于保障高壓AI服務器環(huán)境安全高效運行至關重要。

結語

本文重點闡述了AI服務器機柜向800V供電架構轉型的關鍵趨勢，這一轉型旨在滿足先進GPU日益增長的功耗需求，并支持更高的計算密度。新架構將供電元件遷移至獨立的供電側柜，從而優(yōu)化主機柜內計算資源的空間配置。ADI處于這一技術發(fā)展的前沿，所開發(fā)的下一代高壓熱插拔控制器能夠有效管理浪涌電流、提供全面的系統(tǒng)診斷與安全遙測功能，并確保運行可靠性。從系統(tǒng)層面審視機柜供電的演進后，開發(fā)者可助力云服務器提供商與系統(tǒng)集成商獲得新的洞察，實現成本節(jié)約。