Efektywne rozwiązania zarządzania zasilaniem w ośrodkach przetwarzania danych sztucznej inteligencji

Rozwój sztucznej inteligencji (AI) oraz uczenia maszynowego (ML) wygenerował bezprecedensowe zapotrzebowanie na zasilanie. Ośrodki przetwarzania danych nowej generacji stoją przed poważnymi wyzwaniami w zakresie zarządzania zasilaniem, sprawności i niezawodności. Tradycyjne rozwiązania zasilania często nie są w stanie sprostać tym wymaganiom na poziomie poszczególnych komponentów i ogólnego zarządzania infrastrukturą ośrodka przetwarzania danych (DCIM). Zaawansowane podzespoły zasilania i zintegrowane rozwiązania monitorowania oferują kompleksowe podejście umożliwiające sprostanie tym wyzwaniom.

Na przykład: technologia kondensatorów hybrydowych zapewnia stabilność dostarczania energii, rozwiązania o ultraniskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) zapewniają sprawność wysokoprądowej konwersji mocy, rezystory wysokiej dokładności pozwalają na precyzyjne monitorowanie zasilania, a integracja bezprzewodowa pozwala na rozbudowane zarządzanie zasilaniem.

W tym artykule opisano sposób, w jaki wspomniane elementy pomagają tworzyć odporne systemy zarządzania zasilaniem dla ośrodków przetwarzania danych sztucznej inteligencji. Następnie przedstawiono rozwiązania firmy Panasonic we wszystkich czterech dziedzinach i zademonstrowano ich zastosowanie w środowiskach współczesnych ośrodków przetwarzania danych.

Skuteczne dostarczanie zasilania do ośrodków przetwarzania danych z wykorzystaniem hybrydowej technologii kondensatorów

Nowoczesne ośrodki przetwarzania danych wymagają rozbudowanych układów konwersji mocy. Często są one zasilane z sieci prądu zmiennego o napięciach setek kilowoltów (kV~). Napięcie to jest w pierwszej kolejności obniżane do kilkudziesięciu kV~ w celu rozdziału w całym ośrodku przetwarzania danych. Następnie jest ono przekształcane dalej na setki V~ w celu rozprowadzenia po stelażach ze sprzętem.

Na poziomie stelaża, prąd zmienny jest przekształcany na prąd stały, zwykle 12V=, zgodnie z zapotrzebowaniem urządzeń informatycznych. Na koniec w poszczególnych urządzeniach napięcie jest regulowane na niższych poziomach - często pomiędzy 1,1V i 5V, w celu zasilania poszczególnych komponentów, takich jak procesory i moduły pamięci.

Na każdym etapie tego łańcucha występują straty, które mogą znacząco wpłynąć na ogólną sprawność ośrodka przetwarzania danych. Projektanci zasilania ośrodków przetwarzania danych centrów danych coraz powszechniej stosują półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takie jak azotek galu (GaN), w celu zminimalizowania strat na późniejszych etapach konwersji. W porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi (Si), półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) pozwalają uzyskać znakomitą sprawność dzięki wyższym częstotliwościom przełączania i niższym stratom przewodzenia.

Jednak technologia kondensatorów stosowana w takich przetwornicach stwarza istotne wyzwania projektowe. Projektanci systemów zasilających zwykle mieli do dyspozycji dwie sprawdzone technologie kondensatorów: konwencjonalne aluminiowe kondensatory elektrolityczne, które charakteryzują się niskim prądem upływu, a także kondensatory polimerowe, które posiadają wyjątkową równoważną rezystancję szeregową (ESR). Hybrydowe aluminiowe kondensatory elektrolityczne z serii EEH firmy Panasonic (ilustracja 1) stanowią trzecią opcję, która łączy w sobie zalety obu opisanych technologii, aby zminimalizować straty spowodowane prądem upływu i równoważną rezystancją szeregową (ESR).

Ilustracja 1: hybrydowe aluminiowe kondensatory elektrolityczne z serii EEH minimalizują straty spowodowane prądem upływu oraz równoważną rezystancją szeregową (ESR). (Źródło ilustracji: Panasonic)

Kondensatory hybrydowe mają jeszcze inne zalety, takie jak podwyższona niezawodność dzięki trybowi awaryjnemu przerwy w obwodzie. Zachowują one również pojemność znamionową przy znacznie wyższych częstotliwościach, niż konstrukcje tradycyjne. Konwencjonalne kondensatory zaczynają tracić skuteczność przy częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kiloherców (kHz), natomiast kondensatory hybrydowe zachowują parametry przy częstotliwościach dochodzących do 1MHz. Wyższe częstotliwości robocze umożliwiają stosowanie mniejszych kondensatorów, co pozwala projektantom na tworzenie bardziej kompaktowych przetwornic i uwalnia miejsce na płytkach drukowanych dla dodatkowych funkcji.

Typowym przykładem jest kondensator hybrydowy EEH-ZA1V151P. Jest to urządzenie o pojemności 150µF na napięcie 35V, które zachowuje niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) 27mΩ, może pracować w zakresie temperatur roboczych od -55°C do około +105°C, a jego czas użytkowania sięga 10 tys. godzin (przy +105°C). Jego przydatność do zastosowaniach dla ośrodków przetwarzania danych wykazano przy użyciu płytki ewaluacyjnej przetwornicy prądu stałego EVLMG1-250WLLC firmy STMicroelectronics (ilustracja 2). Ta płytka wykorzystuje technologię GaN i osiąga gęstość mocy 20W/in.³ przy sprawności powyżej 92%.

Ilustracja 2: płytka ewaluacyjna przetwornicy prądu stałego w technologii GaN typu EVLMG1-250WLLC prezentuje możliwości kondensatora hybrydowego. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Zalety kondensatorów o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) do zastosowań zasilania o wysokiej gęstości i wysokiej sprawności

Trend w kierunku rozwoju przetwornic prądu stałego o wysokiej gęstości mocy w ośrodkach przetwarzania danych stwarza wyjątkowe wyzwania w dziedzinie odprowadzanie ciepła. Rosnąca gęstość mocy i coraz mniejsza powierzchnia zajmowana przez komponenty mogą skutkować znacznym wzrostem temperatury pracy.

Minimalizacja równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) pozwala częściowo rozwiązać wspomniane wyzwania termiczne. Ponieważ straty mocy są określone iloczynem I²R, zmniejszenie rezystancji bezpośrednio obniża straty mocy, a w konsekwencji wytwarzane ciepło. To sprawia, że niska równoważna rezystancja szeregowa (ESR) ma kluczowe znaczenie dla utrzymania bezpiecznych temperatur pracy w kompaktowych konstrukcjach.

Jednak nawet najbardziej wydajne kondensatory mogą pracować w wysokich temperaturach środowiska. Dlatego konieczny jest dobór kondensatorów, które są w stanie wytrzymać wysokie temperatury w ciasno upakowanych ośrodkach przetwarzania danych. Ilustracja 3 przedstawia schemat doboru, który uwzględnia między innymi temperaturę roboczą.

Ilustracja 3: przewodnik doboru kondensatorów hybrydowych na podstawie prądów tętniących, pojemności, rozmiarów i temperatury roboczej. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Wysokie częstotliwości przełączania możliwe dzięki użyciu technologii GaN pozwalają na zmniejszenie obudów, jednak technologia kondensatorów musi gwarantować wystarczającą pojemność, aby poradzić sobie z wysokimi prądami tętniącymi. Dzięki opcjom pojemności od 47μF do 680μF i możliwości obsługi prądów do 2,3A przy 100kHz, omawiane kondensatory hybrydowe z serii EEH-ZL pozwalają sprostać omawianym wyzwaniom. Gwarantują one również pracę w temperaturach do +135°C oraz równoważną rezystancję szeregową (ESR) zaledwie 14mΩ.

Przykładem może być kondensator EEH-ZL1E681P o pojemności 680μF, równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) 14mΩ i średnicy obudowy 10,0mm.

Wykorzystanie precyzyjnych rezystorów do precyzyjnego monitorowania zasilania

Przetwornice prądu stałego w ośrodkach przetwarzania danych wymagają bardzo dokładnych informacji zwrotnych do sterowania zasilaniem. Ma to szczególnie krytyczne znaczenie w konstrukcjach opartych na azotku galu (GaN), gdzie nawet niewielkie błędy w informacjach zwrotnych o cyklu pracy mogą skutkować niebezpiecznymi nadmiernymi napięciami i nadmiernymi prądami.

Istnieją różne technologie pomiaru prądu, jednak rezystory bocznikowe są szczególnie atrakcyjne w środowiskach serwerów, infrastruktury pamięci masowej i zasilaczy o ograniczonych przestrzeniach. Tym niemniej wysoka gęstość mocy nowoczesnych konstrukcji stwarza poważne wyzwania dla pomiarów prądu z użyciem rezystorów.

Podstawowym wyzwaniem jest stabilność termiczna. Wartości rezystancji mogą podlegać znacznemu dryftowi wraz ze zmianami temperatury roboczej, co może niekorzystnie wpływać na dokładność pomiarów. Z tego względu współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) jest krytycznym parametrem specyfikacji. Musi być ona możliwie najniższa, aby utrzymać dokładność pomiaru w szerokim zakresie temperatur, jakie występują w ośrodkach przetwarzania danych.

Rezystory z serii ERA-8P firmy Panasonic (ilustracja 4) rozwiązują te problemy dzięki kilku innowacyjnym cechom:

• Ultraniski współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) ±15×10^-6 na stopień Kelvina, uzyskany dzięki precyzyjnej cienkowarstwowej technologii produkcji
• Zmniejszająca naprężenia warstwa miękkiej żywicy pod rezystorem, która minimalizuje pękanie lutu spowodowane cyklicznymi zmianami temperatur
• Gładka powierzchnia podłoża z tlenku glinu, która zapewnia jednakową grubość warstwy oporowej
• Długi, drobny wzór serpentynowy drogi oporu, który zapobiega punktowej koncentracji prądów, zapewniając wiodącą w branży odporność na wyładowania elektrostatyczne (ESD)

Ilustracja 4: rezystory z serii ERA-8P zaprojektowano z myślą o wysokiej stabilności termicznej. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Urządzenie ERA-8PEB1004V demonstruje wspomniane możliwości dzięki specyfikacjom dostosowanym do monitorowania zasilania w ośrodkach przetwarzania danych:

• Wysokie napięcie elementu ograniczającego 500V przy 1MΩ do monitorowania szyn zasilających wysokiego napięcia
• Moc znamionowa 0,25W zapewnia minimalne straty mocy
• Szeroki zakres temperatur roboczych: od -55°C do +155°C
• Znakomita odporność na wyładowania elektrostatyczne (ESD) zapewniająca niezawodność pracy w środowiskach dużej mocy

Wykorzystanie technologii Wi-Fi do monitorowania sprawności energetycznej

Zarządzanie infrastrukturą ośrodka przetwarzania danych (DCIM) staje się coraz bardziej skomplikowane, ponieważ obciążenia obliczeniowe sztucznej inteligencji wymagają wdrażania większej liczby serwerów, systemów magazynowania danych i zasilaczy. Monitorowanie zużycia energii przez wspomniane systemy ma znaczenie krytyczne dla optymalizacji sprawności, tymczasem tradycyjne przewodowe rozwiązania monitorujące zwiększają koszty, złożoność i wyzwania związane z porządkowaniem kabli, które rosną wraz ze skalą obiektu.

Bezprzewodowe monitorowanie stanowi wygodne rozwiązanie tych wyzwań. Pozwala ono na zarządzanie zasilaniem w czasie rzeczywistym dzięki pomiarom napięcia, prądu i temperatury bez konieczności instalowania dodatkowego sprzętu i okablowania. Takie podejście zapewnia większą elastyczność skalowania operacji w górę lub w dół bez konieczności rekonfiguracji połączeń fizycznych.

Tym niemniej moduły bezprzewodowe do stosowania w ośrodkach przetwarzania danych muszą spełniać surowe wymogi:

• Utrzymanie niezawodnej łączności w środowiskach, gdzie występuje wiele przeszkód i potencjalnych źródeł zakłóceń
• Minimalizacja zużycia energii w celu utrzymania zwiększonej sprawności ogólnej
• Dopasowanie do kompaktowych rozmiarów w celu integracji z istniejącym sprzętem
• Zapewnienie odpornych funkcji zabezpieczeń w celu ochrony wrażliwych informacji w ośrodkach przetwarzania danych

Moduł PAN9320 Wi-Fi typu ENW-49A01A3EF firmy Panasonic (ilustracja 5) rozwiązuje te problemy dzięki rozbudowanemu zbiorowi funkcji:

• Praca w pasmie 2,4GHz zapewnia znakomite przenikanie przez przeszkody w ośrodku przetwarzania danych oraz szeroką kompatybilność dzięki obsłudze standardów 802.11b/g/n.
• Sprawność energetyczna jest utrzymywana dzięki minimalnemu poborowi mocy wynoszącemu 430mA podczas nadawania (Tx) oraz 160mA podczas odbioru (Rx) w trybie 802.11b.
• Kompaktowa konstrukcja o wymiarach 29,0mm × 13,5mm × 2,66mm do montażu powierzchniowego upraszcza integrację.
• Wbudowane funkcje zabezpieczeń, takie jak TLS/SSL, HTTPS i WPA2, chronią wrażliwe informacje.

Możliwości te pozwalają operatorom ośrodków przetwarzania danych na wdrażanie rozbudowanego monitorowania zasilania przy jednoczesnym zminimalizowaniu fizycznych i operacyjnych zasobów, skojarzonych zwykle z takimi systemami.

Ilustracja 5: rozbudowane rozwiązanie Wi-Fi 2,4GHz typu ENW-49A01A3EF pozwala na efektywne zarządzanie infrastrukturą ośrodka przetwarzania danych (DCIM). (Źródło ilustracji: Panasonic)

Podsumowanie

Potrzeby związane z obciążeniami obliczeniowymi sztucznej inteligencji wymagają nowego sposobu myślenia o infrastrukturach zasilania - od doboru poszczególnych komponentów, aż po wybór systemów monitorowania całego obiektu. Portfolio kondensatorów hybrydowych, technologii ultraniskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), rezystorów precyzyjnych i łączności bezprzewodowej firmy Panasonic zapewnia operatorom ośrodków przetwarzania danych narzędzia potrzebne do budowy i utrzymania skalowalnych systemów zasilania o wysokiej sprawności, obsługujących aplikacje sztucznej inteligencji nowej generacji.