-48V DC блоки питания для серверов: зачем нужны и как внедрять в хоумлабе и SMB

Для операторов вычислительной инфраструктуры, энергоэффективность и надежность подачи питания играют ключевую роль в снижении накладных расходов. Нагрузки от передовых CPU и GPU в ИИ-инфраструктурах постоянно растут, появляется спрос на емкие NVMe-накопители, а также множество других факторов увеличивают энергопотребление дата-центров до колоссальных значений. К тому же, дата-центры с традиционными блоками питания вынуждены использовать не постоянный, а переменный ток, который теряет свою эффективную мощность из-за использования двойного преобразования, повторно выпрямляющее подаваемый ток. Это ведет к экспоненциальному росту энергопотребления, особенно в активно масштабирующихся инфраструктурах. На фоне всего этого, альтернативные методы подачи энергии, которые не требуют применения двойного преобразования и могут питать систему постоянным током напрямую от генератора, становятся все более и более актуальными. Одним из альтернативных решений являются блоки питания -48V DC. Хотя исторически эта технология ассоциировалась с крупнейшими дата-центрами или сектором телекоммуникаций, сегодня -48V DC становятся востребованными и в компактных серверных комнатах малого бизнеса, или даже в продвинутых хоумлабах. В этой статье мы подробно расскажем вам о блоках питания -48V DC, принципах их работы и преимуществах, а также расскажем о тонкостях их установки и выборе производителя БП -48V DC.

Доминирование 12-вольтовых блоков питания в стандартах ATX было обусловлено рядом исторических причин: доступностью компонентов и совместимостью с потребительской электроникой. Однако с экспоненциальным ростом энергопотребления серверов, особенно в высоконагруженных ИИ-системах, ограничения 12В стали оказывать крайне негативное влияние. Для передачи 1 кВт мощности при 12В требуется ток свыше 80 Ампер. Это приводит к значительным потерям пропорционального квадрата тока в кабелях и разъемах, их перегреву, необходимости использования толстых, неудобных и дорогостоящих кабелей, а также растущими сложностям с теплоотводом. Эффективность системы падает, а риски отказа компонентов кратно возрастают.

Традиционные серверные БП преобразуют AC (переменный ток ~230В) сначала в высоковольтный DC, затем в низковольтный DC (12В, 5В, 3.3В) с помощью специальных преобразователей напряжения. Каждое преобразование влечет потери эффективной мощности примерно на 5-15%. В небольших коммерческих или пользовательских системах это может показаться незначительной потерей, однако когда речь идет о крупных ИИ-кластерах, потеря 5-15% будет означать многомиллиардные переплаты за энергию. Система на -48V DC устраняет необходимость в преобразовании высоковольтного DC: питание поступает напрямую как постоянный ток (-48В). Серверный БП (-48V DC Input) преобразует его только в необходимые низкие напряжения (12В, 5В и т.д.), минимизируя количество ступеней и связанные с ними потери. В масштабах даже одной ИИ-стойки это дает ощутимую экономию энергии.

Главное преимущество -48V DC — снижение потери рабочих токов в 4 раза по сравнению с 12В при той же мощности (около 20 А на 1 кВт против 80+ А). Это напрямую ведет к:

• Значительному снижению потерь пропорционального квадрата тока в кабелях и шинах питания.
• Возможности использования более тонких и гибких кабелей, упрощающих разводку и вентилирование системы.
• Снижению тепловыделения в силовых цепях, уменьшая нагрузку на систему охлаждения.
• Упрощению резервирования: Стандартные свинцово-кислотные аккумуляторы (4 последовательно соединенных 12В батареи) напрямую обеспечивают -48В. Это нативная, надежная и легко масштабируемая система бесперебойного питания (DC-UPS), не требующая сложных инверторов.
• Безопасности: Напряжение 48В относится к категории SELV (Safety Extra-Low Voltage) и не требует таких же строгих мер изоляции и защиты, как 230В AC, снижая риски поломок и общую стоимость инфраструктуры.
• Экономии: В масштабах 1-2 стоек сокращение потерь в кабелях и повышение КПД БП, плюс упрощение UPS, позволяют значительно сэкономить на электроэнергии и капитальных затратах.

Технология -48V DC не нова и появилась еще в 2010-х годах. Телекоммуникационная индустрия десятилетиями использует -48V DC как стандарт для базовых станций и коммутационного оборудования. Компании-гиперскейлеры, такие как Google, OpenAI и Baidu, активно внедряют -48V DC в своих центрах обработки данных, чему способствуют инициативы Open Compute Project (OCP), стандартизирующие аппаратное и программное оборудование для снижения накладных расходов. Примечательно, что тренд на блоки питания с постоянным током вышел за пределы гигантов сферы вычислений: на форумах, например, Reddit и Habr, пользователи делятся опытом построения мини-ЦОДов и хоумлабов на базе -48V DC, используя доступное оборудование от Eltek, серверы Supermicro с DC БП и стандартные аккумуляторы. Это реально работающая инфраструктура в офисе и дома. Еще один уникальный сценарий использования блоков питания -48V DC — создание экологичных дата-центов на солнечной энергии. Массивы солнечных панелей будут генерировать постоянный ток, который будет передаваться напрямую серверам через блоки питания -48V DC. Такая система будет не только экологически чистой, но и крайне экономичны ввиду доступности солнечной энергии (особенно в южных регионах) и дешевизны блоков питания -48V DC, спрос на которые в нынешних реалиях все еще очень низок. 

Хорошая новость: внедрение часто требует минимальных усилий. Многие промышленные серверы Dell PowerEdge (R640, R740XD, R7415, R840), HPE ProLiant (DL360/380 Gen9-Gen11+) и Supermicro с модульной системой питания позволяют просто заменить стандартный AC БП на совместимый -48V DC блок. Модификация материнской платы или шасси при этом не требуется. Единственное видимое отличие — вместо разъема IEC C14 на задней панели БП установлены силовые клеммы (часто типа "Faston" или винтовые) для подключения кабеля DC. Решения для стандартных ATX плат в блоках типа 48В DC на рынке практически отсутствуют, что ограничивает их применение в кастомных сборках.

Основные вендоры предлагают DC БП для своих платформ:

• Supermicro: Линейка PWS-601D-1R и аналоги. Съемные блоки стандартных форматов (CRPS, CRPS Plus), устанавливаются в те же слоты, что и AC БП.
• Dell: Блоки мощностью 1100W (например, Y1MGX). Совместимы с широким рядом платформ: R720, R730, R740, R740XD, R7415, R7425, R840.
• HPE: Flex Slot -48VDC PSU (800W, 1600W). Предназначены для серверов линейки DL360/DL380 поколений Gen9, Gen10, Gen10 Plus, Gen11.

Физически блоки -48V DC выглядят почти идентично AC-аналогам, но с клеммной колодкой вместо сетевого входа. Каких-либо стандартизированных видов клемм для -48V DC нет, поэтому часто у разных производителей БП -48V DC оснащены разными типами клемм. Тем не менее, большинстве случаев замена AC на DC тривиальна. Иногда может потребоваться замена кабельного органайзера.

Переход на блоки питания -48V DC не лишен своих нюансов и подводных камней. Вот с чем вы можете столкнуться при решении начать использовать DC, а не AC блоки питания:

• Ограниченная доступность: Решения для ATX или нестандартных плат практически отсутствуют на рынке.
• Стоимость инфраструктуры: Требуется источник постоянного тока (например, генератор), распределительные панели (DC PDU) и аккумуляторы -48V DC, что увеличивает общую стоимость системы.
• Знания: Работа с постоянным током требует глубокого понимания принципов полярности, работы предохранителей, правил прокладки силовых кабелей, поскольку при неправильном использовании блока -48V DC вы можете вывести из строя сам БП или системные компоненты.
• Заземление: В системах -48V DC заземлением обычно является положительная шина (+48V относительно земли = 0V), а активным потенциалом — отрицательный (-48V). Этот факт будет крайне непривычен для тех, кто ранее работал только с переменным током или низковольтным постоянным током, где заземление часто отрицательно.
• Коммутация и защита: Гашение дуги постоянного тока происходит сложнее, чем переменного (нет естественного перехода через ноль). Требуются специализированные DC-автоматы и контакторы.
• Реалистичные ожидания по экономии: Выигрыш в эффективности в 5-10% будет заметен, но не столь значителен в масштабах малых вычислительных систем. Основные плюсы использования -48V DC в таком случае заключаются в повышенной надежности резервирования и снижении тепловыделения системы.

Блоки питания -48V DC постепенно становятся не опциональным решением в крупнейших ЦОД, а полноценной модой даже среди небольших вычислительных систем корпоративного и пользовательского уровня. Однако нужно понимать, что -48V DC все еще остается весьма специфичным решением, отличным от традиционных AC БП, вследствие чего такая модификация системы энергообеспечения подойдет далеко не всем, например, офисным вычислительным инфраструктурам. Тем не менее, уже сейчас можно с уверенностью сказать, что к 2026 году на рынке начнут появляться полноценные серверные платформы с пометкой 48V DC Only PSU, что станет переходным этапом в индустрии серверной инфраструктуры.