Power Stamp Alliance richt zich op 48V-conversie in datacenters

Vier leveranciers van stroomoplossingen voor de computerindustrie hebben een nieuwe alliantie aangekondigd, de Power Stamp Alliance. Doel van deze organisatie is om oplossingen te creëren voor 48V-naar-lage spanning conversie in DC-DC stroomconverters. Momenteel bestaat het lidmaatschap van de Power Stamp Alliance uit Artesyn Embedded Technologies, Bel Power Solutions, Flex en STMicro­electronics. Met de lancering tijdens de Open Compute U.S. Summit 2018 zullen deze 48V direct conversion DC-DC modules - ofwel ‘power stamps’ - voornamelijk gericht zijn op high-performance computers en servers die gebruikt worden in grote datacenters die veelal gebaseerd zijn op OCP designs.

Door het creëren en delen van een specificatie voor een standaard ‘footprint’ en functies wil de Power Stamp Alliance een ecosysteem ontwikkelen dat meerdere fabrikanten omvat. Hierdoor kunnen fabrikanten van server- en opslagsystemen maar ook grote datacenters er zeker van zijn dat zij altijd over voldoende leveranciers beschikken. Daarbij is het wel de bedoeling van de alliantie dat aanbieders op basis van de gestandaardiseerde specificaties zelf extra faciliteiten aanbrengen op het gebied van topologie, schakelingen en prestaties.

Dat klinkt ingewikkelder dan het in werkelijkheid is. Het primaire doel van de alliantie is namelijk het leveren van een standaard stroomvoorziening voor systemen die in een datacenter worden gebruikt en waarbij behoefte is aan een stroomconversie van een nominale 48-volt ingangsspanning naar een uitgangsspanning van lage spanning bij hoge stroom. Hierbij verwachten de leden dat naarmate de energiebehoefte van processoren geheugenapparaten toeneemt, de PSA-specificatie een schaalbare oplossing biedt die kan worden gebruikt in combinatie met bestaande apparaten voor power conversion. Bij de ontwikkeling van deze nieuwe standaard richt men zich vooral op de footprint ofwel de afmetingen van de power supply en de daarin ondergebrachte functies. De over supplies die PSA mogelijk wil maken zullen bovendien gebaseerd zijn op IC’s van ST Microelectronics. Deze chips dienen voor het regelen van de pokerconversie in de nieuwe ‘stamps’.

“De Power Stamp Alliance heeft een onboard-stroomoplossing ontwikkeld die voldoet aan de behoeften van exploitanten van datacenters met een bijzondere focus op de ondersteuning van krachtige computer­servers”, aldus Maggie Shillington, analist van onderzoeksbureau IHS Markit. “Door alleen de form factor en de kernfunctionaliteit van de ‘power stamp’ te standaardiseren, stelt de Power Stamp Alliance individuele bedrijven in staat om hun expertise te benutten om eigen, maar toch compatibele oplossingen te ontwikkelen. Dit zorgt voor een potentieel bloeiend ecosysteem van leveranciers in de markt voor powerconversie-oplossingen.”

De 48V-markt wordt steeds belangrijker doordat veel hyperscalers zich op dit voltage hebben gestandaardiseerd. Het is bovendien nu een belangrijk onderdeel van veel open source ontwerpen die door communities als Open Compute Project (OCP) worden gehanteerd.

De eerste processor-architecturen die door de Power Stamp Alliance worden aangepakt, zijn de Intel VR13 Skylake CPU’s, Intel VR13-HC Ice Lake CPU’s, DDR4 geheugens, IBM POWER9 (P9) processors en hoogvoltage ASIC- en FPGA-chipsets.

Concept

Het concept van de oplossing van PSA is om een ‘main’ power stamp te gebruiken en de stroomsterkte van de power-conversion stapsgewijs te verhogen door maximaal vijf ‘satelliet’ conversie-units toe te voegen die samen meer dan 600 ampère aan totale stroomcapaciteit leveren. Alle vermogensfasen, hoofd- of satelliet, zijn inherent geïsoleerd. De main stamp is een standalone vermogensomzetter met een vermogen tot 100 ampère. Het biedt ook alle besturingsfuncties voor maximaal vijf satelliet-stamps.

Deze satelliet-stamps ontvangen de controlefunctie van de hoofd-stamp en leveren het incrementele vermogen van 100 ampère per satelliet aan de power-conversie stap. Er is geen gebruikersinterface naar de satelliet, dit is niet nodig. De combinatie van hoofd- en satelliet-stamps wordt bepaald door de toepassing, maar het aantal satellieten dat op een bepaald moment operationeel is, kan afhangen van de belasting van de toepassing. Als niet alle satelliet-stamps nodig zijn om stroom te leveren, worden ze uitgeschakeld. Hierdoor kunnen de resterende stamps zo efficiënt mogelijk werken.

Een dergelijke combinatie van hoofd- en satelliet-stamps kunnen we beschouwen als een enkele, meerfase stroomomzetter. Deze combinatie betekent dat de kosten van de combinatie van hoofd- en satelliet-stamps tot een minimum kunnen worden beperkt, aangezien de satellieten minder controlefuncties en componenten bevatten. De grootte en de footprint van de hoofd- en satelliet-stamps zijn identiek, wat het ontwerpproces voor fabrikanten en datacenters vereenvoudigt.

Fysieke specificaties

De fysieke grootte van de units wordt bepaald door de beoogde toepassing van het leveren van een stroomoplossing aan serverprocessoren. De PSA definieert alleen de afmetingen van de zogeheten ‘enveloppe’, zodat de implementatie van een ontwerpoplossing door elk van de leden van de PSA kan worden ontwikkeld. De breedte van 12,7 mm betekent dat er maximaal vier units naast een processor passen, inclusief enige ruimte tussen de units. De lengte van de module (30 mm) is ook gekozen om te voldoen aan de eisen van de ruimte die beschikbaar is in de printed circuit board, zodat de units geen datalijnen op de board overlappen. Tenslotte is de hoogte van 18 mm een maximale afmeting van de PSA-enveloppe. De hoofdeenheid zal bestaan uit een ‘carrier board’ die alle besturingsfuncties omvat met daarop een satellietvermogenstrap gemonteerd.

Voordelen

Er zijn meerdere voordelen aan deze gestandaardiseerde oplossing, meent de PSA.

• De producten van alle leveranciers kennen dezelfde grootte en footprint, passen en werken allemaal op de gedefinieerde afmetingen.
• De PSA-oplossing is gericht op Power Supply Units (PSU) met hoge stroom en lage spanning die nodig is voor processoren,  geheugens en ASIC’s; maar de toepassingsmogelijkheden gaan verder dan dat.
• De oplossingen moeten allemaal worden gebouwd op basis van bestaande processen en componenten, waardoor de productie van grote volumes met minimale risico’s mogelijk is.
• De oplossing is uiterst flexibel en kan  worden gebruikt voor stroomrails met een vermogen tot 600 ampère door het toevoegen van stamps. Als er echter stamps nodig zijn om rekening te houden met piekbelastingen, maar er wordt niet verwacht dat ze nodig zijn om de gemiddelde huidige vraag te ondersteunen, kan het aantal operationele stamps automatisch worden geschaald door de vraag, wat het voordeel heeft dat de maximale efficiëntie van de conversie behouden blijft.
• De oplossing is inherent voorzien van input-to-output isolatie.
• De mechanische eigenschappen van de oplossing zijn gedefinieerd door de toepassing van het leveren van stroom aan een processorapparaat. Vier PSA-stamps kunnen naast een zijde van een 58 bij 58 mm processor worden geplaatst. In het bij dit artikel getoonde voorbeeld betekent dit dat er tot 400 ampère kan worden gegenereerd in de ruimte naast de processor.
• De oplossing is volledig digitaal bestuurd. Dit maakt het ook mogelijk om de prestaties van de oplossing te optimaliseren voor de toepassing.
• De oplossing zal aantoonbaar compatibel zijn met verschillende processoren. Indien nodig zullen ook referentie-ontwerpen van boarden beschikbaar worden gesteld.

De PSA heeft alle specificaties, tekeningen en pin-out beschrijvingen voor hoofd- en satelliet-power stamps gepubliceerd op: www.powerstamp.org/specifications/