Nowoczesne komponenty do systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) w ośrodkach przetwarzania danych w obliczu eksplozji popularności sztucznej inteligencji

Rozwój ośrodków przetwarzania danych gwałtownie przybiera na sile w obliczu ekspansji usług w chmurze i pilnego zapotrzebowania na aplikacje sztucznej inteligencji (AI) zależne od dużych modeli językowych (LLM), które wymagają większej skalowalności i ogromnych zasobów obliczeniowych. Wymaga to nowej generacji systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) wykorzystujących wyspecjalizowane komponenty, które mogą zaspokoić potrzeby związane z wyższą mocą i odprowadzaniem ciepła.

Te potrzeby ośrodków przetwarzania danych stymulują popyt na zaawansowane komponenty pasywne, takie jak kondensatory mocy, rezystory i cewki indukcyjne, które projektanci produktów mogą wykorzystać przy opracowywaniu bardziej zaawansowanych urządzeń obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC), spełniających wymagania w zakresie przetwarzania z wykorzystaniem sztucznej inteligencji (AI). Wymagania te obejmują większą sprawność, parametry działania, niezawodność i odprowadzanie ciepła w mniejszych urządzeniach, co pozwala ośrodkom przetwarzania danych na optymalizację zajmowanego miejsca i zwiększenie gęstości systemów.

Lepsze cewki indukcyjne zwiększające sprawność urządzeń obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC)

KEMET, spółka zależna grupy YAGEO, opracowała cewki indukcyjne z kompozytem metalowym poprawiające parametry działania przetwornic prądu stałego i zasilaczy impulsowych. Bazując na swojej historii dostawcy niestandardowych komponentów magnetycznych dla producentów oryginalnego sprzętu (OEM), firma opracowała ustandaryzowaną linię cewek indukcyjnych mocy METCOM MPX, które charakteryzują się lepszą tolerancją na stany nieustalone prądu i wyższe temperatury robocze, zapewniając zarówno kompaktową konstrukcję, jak i wysokie parametry działania.

Cewki indukcyjne mocy wykonane z kompozytu metalowego METCOM charakteryzują się wysoką gęstością strumienia nasycenia w rdzeniu, która zapewnia silniejsze pole magnetyczne w porównaniu z tradycyjnymi, ferrytowymi cewkami indukcyjnymi. Zapewniają one stabilność indukcyjności w całym zakresie temperatur i natężenia prądu.

Rdzeń składa się ze sproszkowanego metalu z powłoką izolującą i spoiwa. Zakres indukcyjności dostępny dla serii MPX wynosi od 0,1 do 100µH.

Konstrukcja cewki wykorzystuje okrągły drut miedziany otoczony spiekanym magnetycznym proszkiem z kompozytu metalowego (ilustracja 1) o stabilnej indukcyjności w różnych temperaturach i natężeniach prądu, dzięki czemu cewka indukcyjna może być stosowana w wielu regulatorach prądu stałego, takich jak zasilacze impulsowe do serwerów w ośrodkach przetwarzania danych, jako cewka indukcyjna mocy, cewka indukcyjna do filtra zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), oraz w regulatorach w punkcie obciążenia.

Ilustracja 1: cewki indukcyjne mocy METCOM MPX wykorzystują okrągłe druty miedziane otoczone spiekanym magnetycznym proszkiem z kompozytu metalowego. (Źródło ilustracji: KEMET)

Proszek metaliczny umożliwia wytwarzanie cewek indukcyjnych o wyższej gęstości energii i większej odporności cieplnej, zajmujących mniej miejsca niż cewki z rdzeniem ferrytowym, a także daje dodatkowe korzyści w postaci niższych strat w rdzeniu przy wyższych częstotliwościach i doskonałego tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Wszystko to zapewnia większą trwałość i niezawodność, które są niezbędne dla działania ośrodków przetwarzania danych.

Firma Kemet oferuje szeroki wybór spośród ponad 200 opcji w serii MPX (ilustracja 2). Dostępne wymiary: 5 x 5mm, 6 x 6mm, 8 x 8mm, 10 x 10mm, 12 x 12mm, 17 x 17mm oraz 22 x 22mm.

Ilustracja 2: wygląd cewek indukcyjnych METCOM MPX. (Źródło ilustracji: KEMET)

Na przykład komponent MPX1D0630L3R3 o wymiarach 6 x 6mm i wysokości 3,0mm pozwala na efektywne wykorzystanie miejsca na gęsto upakowanej płytce drukowanej bez pogorszenia parametrów działania. Dzięki znamionowej temperaturze roboczej do +155°C, indukcyjności 3,30µH ±20% i maksymalnej rezystancji dla prądu stałego 30,3mΩ, są one odpowiednie do środowisk obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC), w których utrzymanie integralności zasilania, odprowadzania ciepła i sprawności ma znaczenie krytyczne.

W przypadku mniej rygorystycznych wymagań lub większej uniwersalności wartości indukcyjności, można wykorzystać urządzenie MPX1D0530L220, o rozmiarach 5 x 5mm, wysokości 3,0mm i indukcyjności 22,00µH. Dzięki wyższej maksymalnej rezystancji dla prądu stałego wynoszącej 341,2mΩ, jest ono odpowiednie w sytuacjach, gdy odprowadzanie ciepła nie stanowi problemu lub gdy system ma wbudowane dodatkowe chłodzenie.

Opcje cewek indukcyjnych mocy z rdzeniem ferrytowym do zastosowań obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC)

W systemach obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC), w których wymagane jest ogólne tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) ale nie mamy do czynienia z surowymi wymaganiami w zakresie parametrów działania, z pomocą przyjdą oferowane przez należącą do grupy YAGEO firmę Pulse Electronics, cewki indukcyjne mocy z rdzeniem ferrytowym zoptymalizowane pod kątem obsługi wysokich prądów. Zostały one zaprojektowane specjalnie do użycia w topologii transindukcyjnych regulatorów napięcia (TLVR).

Cewki indukcyjne mocy z rdzeniem ferrytowym są alternatywą dla cewek indukcyjnych nawijanych toroidalnych, które zwykle zasilają regulatory napięcia z rdzeniami (VCORE) w komputerach stacjonarnych. Wytwarzane w technologii przewlekanej (THT) cewki indukcyjne mocy z rdzeniem ferrytowym zapewniają wyższą sprawność i węższe tolerancje, co umożliwia uzyskanie mniejszych rozmiarów do regulatorów VCORE.

Zamiast rozkładania prądów tętniących charakterystycznych dla cewek indukcyjnych z pojedynczym uzwojeniem w wielofazowej topologii obniżającej, cewki indukcyjne mocy z rdzeniem ferrytowym pozwalają uzyskać mniejsze indukcyjności i osiągnąć kompromis projektowy pomiędzy szybkością reakcji przetwornicy na zmiany prądu obciążenia (odpowiedź impulsowa) w stosunku do stabilności pętli sterowania.

Komponenty firmy Pulse Electronics są zwykle stosowane w wysokoprądowych, wielofazowych regulatorach napięcia, które zasilają procesory, moduły pamięci oraz wysokoprądowe specjalizowane układy scalone (ASIC), a także bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) w serwerach, kartach graficznych, pamięciach masowych i ośrodkach przetwarzania danych. Te dwuuzwojeniowe cewki indukcyjne do transindukcyjnych regulatorów napięcia (TLVR) są dostępne w rozmiarach od 4 x 4mm do 13 x 13mm z zakresami indukcyjności od 20nH do 1µH.

Części z serii PAL6373.XXXHLT (ilustracja 3), na przykład PGL6380.101HLT, zajmują powierzchnię 12 x 6mm i charakteryzują się indukcyjnościami w zakresie od 100nH do 200nH, znamionowymi szczytowymi prądami nasycenia od 59A do 125A oraz zakresem temperatur roboczych od -40°C do +125°C. Posiadają one rdzeń ferrytowy zamontowany na uzwojeniu 1T lub 2T, charakteryzują się wyjątkowo niską rezystancją dla prądu stałego (DCR), wysokim prądem szczytowym i niskimi stratami prądu zmiennego. Są dostępne w wersji jednofazowej, z fazami scalonymi oraz ze sprzężonymi cewkami indukcyjnymi.

Ilustracja 3: wygląd cewki indukcyjnej z serii PAL6373.XXXHLT firmy Pulse Electronics. (Źródło ilustracji: Pulse Electronics)

W przypadku systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) wybór między typem cewki indukcyjnej z rdzeniem ferrytowym a typem z kompozytem metalowym zależy od konkretnych wymagań systemu, takich jak potrzeba wysokiej stabilności indukcyjności, odporności na temperaturę i redukcji szumów. Cewki indukcyjne firmy KEMET zapewniają stabilne działanie w rozszerzonym zakresie temperatur do +180°C, a ich formowana konstrukcja metalowa pomaga zredukować hałas akustyczny, co może być korzystne we wrażliwych na hałas układach obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC).

Stabilne kondensatory o długim okresie użytkowania

Kondensatory z przewodnikiem aluminiowo-polimerowym i elektrolitem stałym firmy KEMET są również dobrze przystosowane do wysokich wymagań systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC), w których parametry działania, sprawność i niezawodność mają znaczenie krytyczne.

W przeciwieństwie do tradycyjnych „mokrych” aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, które wykorzystują przewodzące elektrolity ciekłe, stałe polimery w kondensatorach KEMET charakteryzują się niską równoważną rezystancją szeregową (ESR), która jest stabilna przy różnych temperaturach, częstotliwościach i na różnych etapach okresu użytkowania.

Urządzenia wykorzystujące polimery w fazie stałej są w stanie wytrzymać wyższe prądy tętniące i mają dłuższą żywotność niż kondensatory mokre (w których elektrolit może wyschnąć i doprowadzić do awarii), dzięki czemu są bardziej odporne na drgania i zaprojektowane z myślą o większej stabilności. Skutecznie zachowują pojemność przy wysokich częstotliwościach, dzięki czemu stanowią atrakcyjną opcję dla szybko przełączających zasilaczy.

Kondensatory firmy KEMET pracują efektywnie i bez znaczących strat mocy przy wysokich prądach typowych dla systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) , a dzięki zastosowaniu połączenia przewodzącego polimeru i elektrolitu, mogą pracować przy wyższych napięciach w porównaniu ze standardowymi kondensatorami elektrolitycznymi. Udoskonalone właściwości elektryczne i wytrzymałość kondensatorów aluminiowo-polimerowych ze stałym elektrolitem mogą znacznie poprawić ogólną sprawność i niezawodność systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami.

Zaprojektowana z myślą o dłuższym okresie użytkowania i większej stabilności w szerokim zakresie temperatur, seria A768 kondensatorów do montażu powierzchniowego firmy KEMET (ilustracja 4) ma pojemności od 18µF do 1200µF i napięcia od 4V₌ do 80V₌. Na przykład urządzenie A768MS108M1CLAE015 to wersja o napięciu 16V, pojemności 1000µF, równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) 15mΩ i zakresie temperatur roboczych od -55°C do +125°C. Wymiary pola lutowniczego wynoszą 10,30mm dł. x 10,30mm szer. (0,406" x 0,406").

Ilustracja 4: stałe kondensatory aluminiowo-polimerowe do montażu powierzchniowego z serii A768 firmy KEMET. (Źródło ilustracji: KEMET)

Omawiane kondensatory zaprojektowano z myślą o utrzymaniu parametrów działania w wymagających warunkach termicznych. Dostępne są wersje wytrzymujące drgania do 30g, przeznaczone do środowisk obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC), w których naprężenia mechaniczne lub ruchy mogą powodować niestabilność.

Mikroelektroniczne rezystory cienkowarstwowe

Innym ważnym komponentem w projektach obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) są rezystory mikroelektroniczne, które uzupełniają przemienniki mocy i kondensatory w celu ochrony przed przepływem nadmiernych prądów oraz zapewnienia ogólnej stabilności i sprawności układu. W 2023 r. firma YAGEO wprowadziła na rynek serię NT rezystorów mikroelektronicznych na bazie azotku tantalu, zaprojektowanych z myślą o zachowaniu wysokiej powtarzalności parametrów działania w wymagających środowiskach.

Samopasywująca konstrukcja serii NT tworzy warstwę wodoszczelną, która osłania warstwę oporową i zapobiega wnikaniu wilgoci. Omawiane urządzenia są dostępne w obudowach o rozmiarach od 0402 do 1206, w zakresie rezystancji od 100Ω do 481kΩ.

Dzięki szerokiemu zakresowi temperatur roboczych od -55°C do +155°C, rezystory NT przyczyniają się do stabilnego rozdziału zasilania i sprawnego przenoszenia energii. Zapewniają one niski współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) ±25, ±50ppm/°C, przy mocach znamionowych od 1/20W do 2/5W.

Podsumowanie

Wymagania przetwarzania w chmurze isztucznej inteligencji (AI) wymuszają zapotrzebowanie na komponenty elektroniczne o określonych atrybutach, które zapewniają wysoką niezawodność w wymagających warunkach. Projektanci są w stanie sprostać rosnącym wymaganiom przy projektowaniu systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności (HPC) dzięki specjalistycznym rezystorom, kondensatorom i cewkom indukcyjnym mocy, np. tym dostarczanym przez grupę YAGEO oraz należące do niej firmy KEMET i Pulse Electronics.