服务器供电 —— UPS / HVDC / CRPS / 48V 直供

CPU 核心电压只有 0.8V 左右，但市电进来是 220V/380V 交流。从市电到芯片的几百毫伏，中间要经过 UPS/HVDC、PSU、VRM 三道关。每一段的效率损失都直接体现在电费和 PUE 上。本篇讲服务器和数据中心的供电体系。

一条完整的供电链

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  GRID[市电
10 kV / 380 V AC] --> ATS[双路切换 ATS]
  ATS --> UPS[UPS / HVDC]
  UPS --> PDU[机柜 PDU]
  PDU --> PSU[服务器 PSU
12V/48V DC]
  PSU --> VRM[VRM 多相调压]
  VRM --> CHIP[CPU/GPU/DRAM
0.8-1.2 V DC]

每一级都伴随能量损耗。这条链上的每一个转换点，都在被工程优化。

数据中心一级供电：UPS vs HVDC

传统 UPS

UPS（Uninterruptible Power Supply）是数据中心最经典的方案：

市电 AC → 整流（AC→DC） → 电池 / 电池旁路 → 逆变（DC→AC） → 服务器 PSU

特点：

• 多次 AC/DC 转换，每次约 3-5% 损耗
• 整体效率约 90-94%
• 兼容性好——服务器侧仍是 AC 输入，所有传统 PSU 都能用
• 维护成熟、生态完整

高压直流 HVDC

HVDC（High Voltage Direct Current）是国内（特别是阿里、腾讯）大规模推广的方案：

市电 AC → 整流（AC→DC，~240V/336V） → 电池组 → 服务器 PSU（DC 输入）

特点：

• 省一级 DC→AC 逆变，整体效率可达 96%+
• 电池直接挂在直流母线上，故障切换为零（无切换瞬态）
• 需要服务器 PSU 支持 DC 输入（绝大多数服务器 CRPS PSU 兼容 240V DC）
• 国标常见 240V/336V 两档

维度	UPS	HVDC
转换次数	2 次 (AC→DC→AC)	1 次 (AC→DC)
整体效率	90–94%	95–97%
切换瞬态	有（毫秒级）	无
兼容性	通用	需 PSU 支持
部署规模	全球主流	国内大型互联网厂商

待补充：核对 HVDC 在不同省份的最新部署占比和电压标准（240V/336V/400V）。

机柜级供电：PDU 和母线槽

机柜里把电从 UPS/HVDC 引到每台服务器的角色，由 PDU（Power Distribution Unit）承担。常见形态：

• 基本 PDU：插座 + 总开关
• 计量 PDU（Metered）：带电流/功率显示
• 智能 PDU（Switched / Monitored）：每个插座可远程开关、监控

整机柜方案进一步用**铜母线槽（busbar）**替代 PDU，节点直接插上母线，节省空间和线缆。OCP 和天蝎都用这种方式。

服务器电源 PSU

CRPS：服务器电源的事实标准

CRPS（Common Redundant Power Supply） 是 Intel 主导的服务器电源外形规范：

• 统一外形：73.5 × 185.5 mm（1U）等几种标准尺寸
• 统一接口：金手指连主板，支持热插拔
• 统一控制协议：PMBus，BMC 可读取电压/电流/温度/历史
• 冗余支持：N+1 / N+N

CRPS 的好处是多家厂商可互换：Delta、台达、长城、艾默生（Vertiv）、光宝……OEM 不被单一供应商绑定。

功率等级

功率档	典型应用
550 W	1U 单路通用
800 W	1U/2U 通用
1300 W	2U 双路通用主流
1600 W	2U 双路高配
2000–2200 W	4 卡 GPU 服务器
2700–3000 W	8 卡 GPU 训练机
3600 W+	高密 AI / 整机柜节点

80 PLUS 认证

PSU 的效率认证体系。等级越高，转换损耗越低：

等级	50% 负载效率
80 PLUS White	80%
Bronze	82%
Silver	85%
Gold	88%
Platinum	92%
Titanium	94%

服务器 PSU 主流是 Platinum 和 Titanium。Titanium 比 Platinum 多花的钱，在 24×365 满载场景下 1–2 年就能从电费里省回来。

冗余配置

模式	含义
1+1	双电源，一主一备，单故障可切
N+1	N 个工作 + 1 个热备
N+N	两组 N 个，分别接两路市电

数据中心标准做法是两路市电 + N+N PSU，从源头上避免单点故障。

服务器内部供电：12V → 48V

传统 12V 体系

PSU 对主板输出 12V DC（早期还有 5V/3.3V，现在主流只剩 12V）。主板上的 VRM（Voltage Regulator Module） 把 12V 进一步降到 CPU/GPU 需要的 0.8–1.2V。

问题：当 CPU/GPU 功耗到 500W+，12V 母线电流就是几十安培，铜损（I²R 损耗）显著上升。

48V 直供：解决高功率瓶颈

Google 在 2016 年的 OCP Summit 提出 48V 服务器供电方案，被业界广泛采纳：

PSU → 48V → 主板 → 48V 直接到 GPU 板 → GPU 板上 VRM 降到 1V

为什么 48V：

• 同样功率下电流减为 12V 的 1/4
• 铜损（∝ I²）减为 1/16
• 母线和板上铜厚可减薄，节省成本
• 48V 是”安全特低电压”上限，免许多安规约束

48V 现在是 AI 服务器、整机柜、NVIDIA HGX/MGX 平台的标配。Intel、AMD 的下一代 CPU 平台也在迁移到 48V。

VRM 多相

CPU 内部的 VRM 通常是 多相设计——把一个总电流分摊到多路并联的功率级，每路只承担几十安培。当代旗舰服务器 CPU 的 VRM 可达 24+ 相、瞬态电流上千安培。这部分通常做在主板上，是主板成本的隐形大头。

备电：电池 vs 飞轮

UPS 的”持续供电时间”靠备电系统，常见两种：

方案	续航	维护	占地	应用
铅酸电池	5–15 分钟	周期换电池，污染重	大	传统
锂电池	5–15 分钟	寿命长、轻	小	新建机房主流
飞轮	15–30 秒	几乎免维护	中	HSC（High Speed Continuous）
柴发联动	数小时-数天	定期试运行	大	长断电兜底

数据中心标准做法：锂电 / 飞轮短时（撑过市电瞬断）+ 柴油发电机长时（撑过长时间停电）。

一张总账

按一台典型 2U 双路服务器（年耗电 ~2000 度）算从市电到芯片的”总效率”：

市电 1000 W
    │ × 95%   (HVDC)
    ▼
HVDC 输出 950 W
    │ × 94%   (CRPS Titanium PSU)
    ▼
PSU 输出 893 W
    │ × 92%   (主板 VRM)
    ▼
芯片实际消耗 ~822 W

总转换效率 ~82%

每台服务器一年因为电源链损耗的能量，足够再带半台同规格服务器。这就是为什么大型互联网厂商对供电改造如此投入。

小结

• UPS → HVDC：减少一次转换，效率从 ~92% 提到 ~96%
• 12V → 48V：减小线损，是 AI 服务器和整机柜的必选
• CRPS + Titanium 80 PLUS 是服务器 PSU 的事实标准
• 从市电到芯片，整体能量利用率 80% 上下，每个百分点都在被工程师抠

下一篇我们看看服务器形态从塔式到整机柜怎么演进，以及上层软件栈如何分层。