本文探讨了 AI 服务器环境中不断增长的电源需求 —— 这一需求由 GPU 功耗的持续上升所驱动，并重点介绍了从 48V 到 800V 供电架构的转变。随着数据中心基础设施的演进，本文还将探索 ADI 在高压热插拔保护领域的持续创新。
数据中心热插拔控制器的未来
随着 AI 工作负载的加剧，服务器环境中的 GPU 正推动着前所未有的电源需求，这促使机架层面的供电架构向 800V 转型。这一更高的电压为系统保护和监控带来了新挑战，尤其是在带电插拔托盘的过程中。为应对这些挑战，需要新一代热插拔控制器 —— 既能管理高压浪涌电流，又能为系统诊断和安全提供强大的遥测功能。作为 12V 和 48V 热插拔技术的公认领导者，ADI 如今正将其专业知识延伸至支持行业向 800V 的转型。
为何 800V 至关重要？
两大关键趋势正推动 AI 服务器基础设施中机架层面向更高电压供电的转变：
GPU 功耗攀升：随着 GPU 计算性能的持续提升，其电源需求也在显著增加。
单机架计算密度提高：为实现大规模 AI 训练和推理的性能最大化与互连延迟最小化，更多 GPU 被整合到单个机架中。这种协同部署通过缩短加速器之间的数据路径，提升了带宽效率并降低了通信开销。
为满足机架层面由此产生的电源需求激增，行业正转向一种解耦式电源架构。在此模型中，传统电源组件（如电源分配单元 PDU、电池备份单元 BBU 和电容器单元 CU）从主 IT 机架迁移至相邻的电源侧柜。这种分离不仅支持 800V 等更高电压的传输，还为机架内释放了宝贵空间以容纳更多计算资源。
现有供电方案
AI 机架通过 48V 母线运行。交流电通过机架内电源单元（PSU）转换为 48V 直流电。48V 母线为 IT 设备（服务器 PSU、GPU 节点、交换机）、配备双向 DC-DC 转换器的 BBU，以及用于快速过渡和瞬态处理的超级电容单元（SCU）供电。
图 1. 48V 数据中心向机架的供电示意图
图 2. 48V AI 服务器
机架上的每个节点（如服务器托盘）需要具备在带电运行时插拔的能力。试想一名技术人员到现场更换服务器，为更换单个服务器而关闭整个机架并不现实 —— 这不仅会严重影响数据中心的运行，而且服务器停机带来的成本也极为高昂。只有当母线或设施供电等出现重大电气故障时，机架才会离线。相反，节点采用热插拔方式，允许技术人员在不关闭其他设备的情况下移除、更换并推回节点。
在此过程中，节点的热插拔控制器会内部断开电源，确保安全移除节点。机架母线保持通电状态，继续为所有其他节点、BBU 和 SCU 供电。插入替换节点后，预充电电路会在完全连接前限制浪涌电流 —— 这是热插拔控制器的关键功能。随后，节点自动启动并重新加入 AI 集群（通常由编排工具处理重新平衡）。
图 2 展示了从 48V 母线到处理器的 AI 服务器电源分配。热插拔控制器作为首个接口，清晰显示其允许技术人员安全高效地移除节点的功能。
ADI 拥有丰富的 48V 热插拔控制器产品组合，如支持 PMBus® 电源监控的 LTC4286 和 LTC4287—— 它们是采用 7mm×7mm QFN 封装的单栅极和双栅极架构热插拔控制器，引脚兼容。最近，该产品组合中又新增了采用 5mm×8mm QFN 封装的 LTC4284 双栅极解决方案。
向更高电压演进
随着 AI 处理器功率负载的增加，机架层面更高直流电压配电的新时代正在到来。ADI 处于这些解决方案的前沿，并正与行业领导者密切合作以解决此类问题。
一个新的电压配电领域被定义为机架级 800V—— 由侧柜直接向 IT 机架供电。图 3 展示了该提议的架构。
图 3. 800V 数据中心向机架的供电示意图
转向更高机架电压的主要驱动力是单机架不断攀升的电源需求。随着功率增加，流经母线的电流也随之增大。电流的这种上升需要更大更重的母线来维持可接受的热性能和电气性能，这在机械实用性和系统设计方面带来了重大挑战。通过提高供电电压，所需电流可按比例降低，从而能够使用更紧凑、更易管理的母线尺寸和互连。这种向更高电压的转变对于在下一代 AI 服务器机架中维持可扩展、高效且机械可行的电源分配至关重要。
值得注意的是，在此架构演进中可能存在中间步骤，即机架中仍使用 48V 母线。在这种情况下，PSU 被扩展至更高功率，在机架处接收 800V 并下转换为 48V 以匹配现有母线。然而，这并非长期状态，因为功率将受到限制（可能每机架高达 250kW），而目标是在单个机架中实现最大计算能力，到本十年末将功率提升至每机架 1MW。因此，如图 3 所示，PSU 和 BBU 最好位于 IT 计算机架之外。
未来，固态变压器可能会被用于直接向每个 IT 计算机架分配高压，而无需这些侧柜。
将热插拔提升到新水平
ADI 在数据中心电源领域拥有丰富的专业知识，并正与云服务提供商和半导体制造商合作开发下一代高压机架级供电解决方案。
对于高压热插拔，需要理解许多设计考量，并克服技术挑战以创造最佳解决方案：
功率密度：这是一个关键因素，因为 800V 热插拔电路最终位于 IT 机架内的服务器卡上。随着机架密度的增加（每个机架容纳更多服务器），这些卡上的空间极为宝贵且面临越来越大的限制。因此，高压热插拔解决方案的设计必须占用尽可能小的空间。
高压控制与保护：向 800V 的转变带来了重大的安全挑战。48V 的触电风险极小，但这些更高的电压可能危及生命。因此，热插拔电路必须在微秒内处理大电流浪涌，精确控制至关重要。管理浪涌电流斜坡对于避免机架损坏或技术人员受伤至关重要。系统还必须协调时序、检测过流或欠压事件，并在需要时优雅关闭。
遥测：作为节点电源路径中的首个组件，热插拔控制器是数据采集的理想位置。它们必须精确测量电压、电流和功率以满足系统规格，同时记录过流、欠压和热关断等事件。此外，它们还应报告电源开关（MOSFET）或附近 PCB 区域的温度。准确的热插拔遥测通过实现实时负载电流分析来提供显著的系统价值，从而改善能源需求预测。在热插拔处收集的历史电流数据支持预测性维护（如在 PSU 跳闸前识别其故障），并输入到机架级电源分配容量规划模型中。
ADI 正积极开发新的高压热插拔控制器解决方案，以支持新兴的机架级电源架构。通过利用其在电源保护和遥测领域的成熟知识产权，ADI 正将其能力扩展至 800V 领域。与领先的数据中心 OEM 和电源开关供应商合作，ADI 的下一代解决方案经过精心设计，以满足热插拔系统不断演变的需求，包括紧凑的外形尺寸、精确的大功率控制和增强的数据采集精度。这些创新对于在高压 AI 服务器环境中实现安全高效的运行至关重要。
结论
本文强调了 AI 服务器机架向 800V 供电的关键转变，以适应先进 GPU 不断增长的电源需求并支持更高的计算密度。新架构涉及将电源组件移至独立的侧柜，从而为主机架中的计算资源优化空间。ADI 处于这一发展的前沿，正在创造下一代高压热插拔控制器，以有效管理浪涌电流、为系统诊断和安全提供全面的遥测，并确保可靠运行。通过从系统角度看待机架电源的演进，开发人员能够使云服务器提供商和系统集成商获得新的洞见并节省成本。
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