Αρχιτεκτονική ισχύος 800V HVDC AI Data Center: GaN, SiC, SST και παροχή ισχύος από δίκτυο σε τσιπ

Η υποδομή AI δεν περιορίζεται πλέον μόνο από τη διαθεσιμότητα του επεξεργαστή. Καθώς η ισχύς της GPU αυξάνεται από εκατοντάδες Watt ανά συσκευή και η ισχύς rack υπερβαίνει τα 100 kW, το ηλεκτρικό σύστημα πίσω από το υπολογιστικό υλικό γίνεται ένας σημαντικός μηχανικός περιορισμός.

Η πρόκληση δεν είναι απλώς η παραγωγή περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς πρέπει να μετατραπεί, να προστατεύεται, να κατανέμεται, να μετατρέπεται και να ρυθμίζεται σε διάφορα επίπεδα τάσης προτού φτάσει σε πυρήνες GPU που λειτουργούν σε πολύ χαμηλές τάσεις και εξαιρετικά υψηλά ρεύματα. Κάθε στάδιο εισάγει απώλειες, θερμικό φορτίο, όγκο εξοπλισμού, απαιτήσεις προστασίας και πιθανά προβλήματα αξιοπιστίας.

Αυτό οδηγεί σε μια ευρύτερη επανεξέτασηΑρχιτεκτονική ισχύος κέντρου δεδομένων AI. Η παραδοσιακή διανομή εναλλασσόμενου ρεύματος, τα rack bus 48V, τα ράφια ισχύος και η παροχή ισχύος σε επίπεδο πλακέτας αξιολογούνται παράλληλα με συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης 800V, μετασχηματιστές στερεάς κατάστασης, ημιαγωγούς ευρείας ζώνης και κατακόρυφη παροχή ισχύος.

Το αποτέλεσμα είναι απίθανο να είναι μια καθολική αρχιτεκτονική αντικατάστασης. Μπορεί να συνυπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις ανάλογα με την κλίμακα εγκατάστασης, την πυκνότητα του rack, την ωριμότητα ανάπτυξης, τις απαιτήσεις ασφάλειας και τη συμβατότητα με την υπάρχουσα υποδομή.

Γιατί αλλάζει η Power Architecture του AI Data Center

GPU Power Growth και Racks AI 100 kW

Οι διακομιστές AI συνδυάζουν GPU ή άλλους επιταχυντές με μνήμη υψηλού εύρους ζώνης, συσκευές δικτύωσης, εξοπλισμό αποθήκευσης και ψύξης. Ένας μόνο επιταχυντής μπορεί να καταναλώσει εκατοντάδες watt, ενώ το συνολικό φορτίο ενός rack AI μπορεί να ξεπεράσει τα 100 kW.

Καθώς αυξάνεται η ισχύς του rack, η διανομή ενέργειας μέσω των λεωφορείων χαμηλότερης τάσης γίνεται πιο δύσκολη. Για ένα δεδομένο επίπεδο ισχύος, το ρεύμα αυξάνεται καθώς μειώνεται η τάση:

Π=V×εγώ

Ένα φορτίο 100 kW που παρέχεται μέσω ενός διαύλου κατηγορίας 50 V απαιτεί περίπου είκοσι φορές το ρεύμα του ίδιου φορτίου που παρέχεται στα 1.000 V. Τα πραγματικά συστήματα περιλαμβάνουν απώλειες μετατροπής, ανοχές τάσης και δυναμικές συνθήκες λειτουργίας, αλλά η σχέση δείχνει γιατί οι ζυγοί, τα καλώδια, οι σύνδεσμοι και ο εξοπλισμός προστασίας γίνονται πιο δύσκολο να κλιμακωθούν σε πολύ υψηλό ρεύμα.

Η απώλεια αντίστασης αυξάνεται επίσης με το τετράγωνο του ρεύματος:

Παπώλεια,=εγώ²R

Η αύξηση της τάσης διανομής δεν δημιουργεί αυτόματα ένα αποδοτικό σύστημα ισχύος. Ωστόσο, μειώνει το ρεύμα που απαιτείται για τη μεταφορά μιας δεδομένης ποσότητας ισχύος. Αυτό καθιστά την αρχιτεκτονική τάσης μια ολοένα και πιο σημαντική μεταβλητή σχεδιασμού, καθώς η ισχύς του rack αυξάνεται ταχύτερα από το μέγεθος του αγωγού, τον χώρο του εξοπλισμού και την ικανότητα ψύξης.

Από την ισχύ σε επίπεδο Rack έως τις εγκαταστάσεις κλίμακας GW

Η πυκνότητα ισχύος rack και η συνολική χωρητικότητα της εγκατάστασης είναι σχετικά, αλλά ξεχωριστά προβλήματα μηχανικής.

Ένα ράφι υψηλής πυκνότητας ασκεί πίεση σε τοπικούς διαύλους, συνδέσμους, μετατροπείς, συστήματα ψύξης και απόδοση μεταβατικής απόκρισης. Μια μεγάλη εγκατάσταση πρέπει επίσης να διαχειρίζεται τη διασύνδεση των υπηρεσιών κοινής ωφέλειας, τους μετασχηματιστές, τα συστήματα διανομής, την εφεδρική ενέργεια, τον πλεονασμό διανομής και τις σωρευτικές απώλειες χιλιάδων υπολογιστικών κόμβων.

Οι μελλοντικές εγκαταστάσεις τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να κινηθούν προς την ηλεκτρική ζήτηση κλίμακας γιγαβάτ, αλλά αυτό παραμένει μια κατευθυντική εξέλιξη και όχι μια καθολική συνθήκη. Δεν χρειάζεται κάθε κέντρο δεδομένων την ίδια χωρητικότητα εγκατάστασης και δεν θα υιοθετεί κάθε τοποθεσία υψηλής ισχύος την ίδια ηλεκτρική αρχιτεκτονική.

Επομένως, ο σχεδιασμός ισχύος πρέπει να εξεταστεί σε διάφορα επίπεδα:

• Είσοδος βοηθητικών και εγκαταστάσεων

• Αίθουσα δεδομένων ή διανομή σειρών

• Μετατροπή σε επίπεδο ράφι

• Διανομή διακομιστή και πλακέτας

• Κανονισμός σε επίπεδο πακέτου

• Τελική παράδοση πυρήνα επεξεργαστή

Γιατί η παράδοση ενέργειας γίνεται περιορισμός σε επίπεδο συστήματος

Η αύξηση της υπολογιστικής πυκνότητας επηρεάζει πολύ περισσότερο από την αξιολόγηση ενός τροφοδοτικού διακομιστή.

Αλλάζει το ρεύμα του αγωγού, τις αναλογίες μετατροπής, τον συντονισμό προστασίας, τις απαιτήσεις ψύξης, την τοποθέτηση εφεδρικής ενέργειας, τη διάταξη ραφιών, τις διαδικασίες συντήρησης και τον φυσικό χώρο που είναι διαθέσιμος για υπολογιστικό εξοπλισμό.

Μια εξαιρετικά αποδοτική συσκευή ημιαγωγών δεν μπορεί να αντισταθμίσει μια αναποτελεσματική συνολική αλυσίδα ισχύος. Η κατάργηση ενός σταδίου μετατροπής μπορεί επίσης να δημιουργήσει νέες απαιτήσεις για απομόνωση, μετατροπή DC/DC υψηλής αναλογίας, διακοπή σφάλματος ή πιστοποίηση εξαρτημάτων σε άλλα σημεία του συστήματος.

Επομένως, η ισχύς του κέντρου δεδομένων AI πρέπει να αξιολογείται από το δίκτυο στο τσιπ, αντί από μετατροπέα ανά μετατροπέα.

Τι είναι το 800V HVDC σε ένα κέντρο δεδομένων AI;

Το 800V HVDC σε ένα κέντρο δεδομένων AI είναι ένα στρώμα διανομής συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης που μεταφέρει ισχύ από εξοπλισμό μετατροπής εγκατάστασης ανάντη σε μετατροπείς rack ή διακομιστή κατάντη. Μειώνει το ρεύμα που απαιτείται για τη διανομή υψηλής ισχύος, αλλά δεν είναι η τελική τάση που παρέχεται απευθείας σε GPU, μνήμη ή πυρήνες επεξεργαστή.

Η θέση των 800V HVDC στην τροφοδοτική αλυσίδα Grid-to-Chip

Ένας δίαυλος συνεχούς ρεύματος 800 V βρίσκεται ανάμεσα στο σύστημα μετατροπής από την πλευρά της εγκατάστασης και σε υπολογιστικά φορτία χαμηλότερης τάσης. Η λειτουργία του είναι να μεταφέρει σημαντική ισχύ μέσω της αίθουσας δεδομένων, της σειράς εξοπλισμού, του πλαϊνού αυτοκινήτου ή του rack χωρίς να απαιτείται το ακραίο ρεύμα που σχετίζεται με την κατανομή κατηγορίας 48V στο ίδιο επίπεδο ισχύος.

Οι αρχιτεκτονικές αναφοράς αναδυόμενων βιομηχανιών δείχνουν αρκετές πιθανές υλοποιήσεις.

Η μία διαδρομή μετατρέπει το AC σε 800V DC κεντρικά και διανέμει την παροχή DC υψηλής τάσης προς τα rack υπολογιστών. Ένας άλλος χρησιμοποιεί ένα πλαϊνό κάρο κοντά σε ένα ή περισσότερα rack για να μετατρέψει την υπάρχουσα παροχή AC της εγκατάστασης σε 800V DC. Μια μεταγενέστερη αρχιτεκτονική μπορεί να συνδυάζει είσοδο μέσης τάσης, απομόνωση και έξοδο DC υψηλής τάσης μέσω ενός μετασχηματιστή στερεάς κατάστασης.

Πρόκειται για εναλλακτικές ή μεταβατικές ρυθμίσεις, όχι για μια υποχρεωτική τοπολογία.

Η κατάντη μετατροπή παραμένει απαραίτητη. Η είσοδος 800 V μπορεί να μετατραπεί σε 48 V ή σε άλλη ενδιάμεση τάση, να μειωθεί μέσω ενός μετατροπέα υψηλής αναλογίας ή να υποβληθεί σε επεξεργασία σε διάφορα στάδια πριν φτάσει σε ρυθμιστές επιπέδου πλακέτας και συσκευασίας.

Τι αλλάζει το 800V HVDC—και τι όχι

Το κύριο ηλεκτρικό αποτέλεσμα της αύξησης της τάσης διανομής είναι η μείωση του ρεύματος για την ίδια μεταφερόμενη ισχύ. Αυτό μπορεί να μειώσει την τρέχουσα επιβάρυνση στα καλώδια, τις ράβδους διαύλου, τους συνδέσμους και τον εξοπλισμό διανομής.

Ωστόσο, το 800V HVDC δεν καταργεί την ανάγκη για:

• Γαλβανική μόνωση όπου απαιτείται

• Μετατροπή ισχύος σε επίπεδο ράφι ή δίσκου

• Ρύθμιση τάσης επεξεργαστή

• Ενσωμάτωση εφεδρικής ισχύος

• Έλεγχος Inrush και hot-swap

• Ανίχνευση βλαβών και διακοπή

• Θερμική διαχείριση

• Σχεδιασμός πλεονασμάτων και συντήρησης

Επίσης δεν σημαίνει ότι τα 800V παραδίδονται απευθείας σε γκάζι. Οι πυρήνες επεξεργαστών απαιτούν αυστηρά ελεγχόμενη, χαμηλής τάσης και υψηλού ρεύματος ισχύ κοντά στο φορτίο.

Από την παραδοσιακή διανομή εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης

Παραδοσιακή διανομή AC έναντι 800V HVDC

Η συμβατική διαδρομή ισχύος AC-to-Load

Ένα συμβατικό κέντρο δεδομένων συνήθως διανέμει AC μέσω της εγκατάστασης πριν το μετατρέψει σε DC κοντά ή μέσα στο rack. Η προκύπτουσα ισχύς συνεχούς ρεύματος μπορεί στη συνέχεια να περάσει μέσω ενός διαύλου rack κατηγορίας 48V, ενδιάμεσων μετατροπέων σε επίπεδο πλακέτας και ρυθμιστών σημείου φορτίου.

Αυτή η αρχιτεκτονική είναι ώριμη και λειτουργεί με καθιερωμένα συστήματα διανομής, συστήματα UPS, τροφοδοτικά, διαδικασίες λειτουργίας και πρακτικές σέρβις. Οι περιορισμοί του γίνονται πιο ορατοί καθώς αυξάνεται η ισχύς του rack και πρέπει να αντιμετωπίζονται μεγαλύτερα ρεύματα μέσα στο rack.

Μια αρχιτεκτονική προσανατολισμένη στα 800 V HVDC μετακινεί μέρος της μετατροπής AC/DC προς τα πάνω ή έξω από το rack υπολογιστών. Στη συνέχεια, το DC υψηλής τάσης κατανέμεται πιο κοντά στον υπολογιστικό εξοπλισμό προτού πραγματοποιηθεί η απαιτούμενη μετατροπή προς τα κάτω.

Πιθανές Αρχιτεκτονικές Επιδράσεις Κατανομής DC υψηλής τάσης

Η μετάβαση σε υψηλότερη τάση διανομής DC μπορεί να επιτρέψει τη διέλευση περισσότερης ισχύος μέσω μιας πρακτικής περιοχής αγωγού. Μπορεί επίσης να μειώσει την ποσότητα της μεγάλης υποδομής ράβδων διαύλου υψηλού ρεύματος που απαιτείται γύρω από rack υψηλής πυκνότητας.

Η κατάργηση επιλεγμένων σταδίων μετατροπής μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα του συστήματος, αλλά το αποτέλεσμα εξαρτάται από την πλήρη αρχιτεκτονική. Μια χρήσιμη αξιολόγηση πρέπει να περιλαμβάνει:

• Διόρθωση εγκαταστάσεων

• Στάδια απομόνωσης

• Διανομή υψηλής τάσης

• Μετατροπή rack

• Ενδιάμεσα λεωφορεία

• Ρύθμιση σημείου φορτίου

• Βοηθητική ισχύς

• Ενέργεια ψύξης

• Απώλειες προστασίας-συσκευής

• Περιττές διαδρομές λειτουργίας

• Μετατροπή εφεδρικής ενέργειας

Οι ισχυρισμοί σχετικά με την απόδοση, τη μείωση του χαλκού, την εξοικονόμηση ψύξης ή το συνολικό κόστος δεν μπορούν να γενικευθούν χωρίς συνεπή όρια συστήματος, προφίλ φορτίου και συνθήκες λειτουργίας.

Προκλήσεις προστασίας DC, μόνωσης και χειρισμού σφαλμάτων

Το DC υψηλής τάσης απαιτεί συσκευές διακοπής και συστήματα προστασίας που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για συνθήκες σφάλματος DC, λειτουργία μόνωσης και παρατεταμένη ενέργεια τόξου.

Επομένως, ένα σύστημα 800 V χρειάζεται συντονισμένη προστασία πέρα ​​από πολλαπλά όρια. Ανάλογα με την αρχιτεκτονική, αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν το ηλεκτρικό δωμάτιο, τον πίνακα διανομής, το πλευρικό καρότσι, την είσοδο rack, το δίσκο υπολογιστών και την είσοδο του μετατροπέα.

Οι λειτουργίες προστασίας μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Ασφάλειες με διαβάθμιση DC

• Αποσυνδέστε συσκευές

• Αυτόματοι διακόπτες

• Προστασία στερεάς κατάστασης

• Κυκλώματα προφόρτισης

• Έλεγχος εισβολής

• Παρακολούθηση τάσης

• Παρακολούθηση απομόνωσης

• Έλεγχος Hot-swap

Οι σχετικές αναφορές μηχανικής περιλαμβάνουνIEC 62477-1για την ασφάλεια των συστημάτων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καιIEC 60947-2για διακόπτες κυκλώματος.Υπηρεσίες πιστοποίησης διακοπτών κυκλώματος της UL Solutionsπεριλαμβάνει επίσης κατηγορίες σχετικές με τεχνολογίες υψηλής τάσης DC και διακοπτών στερεάς κατάστασης.

Αυτές οι αναφορές πρέπει να εφαρμόζονται σύμφωνα με την κατηγορία εξοπλισμού, το όριο εγκατάστασης, τη δικαιοδοσία και τον τελικό σχεδιασμό του συστήματος. Δεν αποτελούν πλήρη λίστα ελέγχου συμμόρφωσης για κάθε κέντρο δεδομένων 800V.

Πώς ταιριάζουν οι μετασχηματιστές στερεάς κατάστασης στην αρχιτεκτονική

Ο λειτουργικός ρόλος ενός SST

ΕΝΑμετασχηματιστή στερεάς κατάστασης, ή SST, συνδυάζει λειτουργίες μετασχηματιστή με ενεργά ελεγχόμενη ηλεκτρονική μετατροπή ισχύος.

ΕναΑνασκόπηση IEEE τεχνολογιών μετασχηματιστών στερεάς κατάστασηςπεριγράφει τα SST ως συστήματα που ενσωματώνουν λειτουργίες μετασχηματιστή με μετατροπείς ισχύος-ηλεκτρονικούς και κυκλώματα ελέγχου. Ανάλογα με την τοπολογία, ένα SST μπορεί να παρέχει μετατροπή τάσης, γαλβανική απομόνωση, μετατροπή AC/DC, παρακολούθηση και ελεγχόμενη ροή ισχύος.

Σε ένα κέντρο δεδομένων AI, ένα SST θα μπορούσε να συνδέσει μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος μέσης τάσης σε ένα δίαυλο διανομής DC υψηλής τάσης. Αυτό μπορεί να ενοποιήσει πολλά συμβατικά στάδια σε ένα αρθρωτό σύστημα ισχύος-ηλεκτρονικού συστήματος.

Ένα SST δεν είναι ο μόνος τρόπος για να δημιουργήσετε έναν δίαυλο 800V DC. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν συμβατικοί μετασχηματιστές και ανορθωτές, κεντρικά συστήματα μετατροπής και μετατροπείς που βασίζονται σε πλευρικό καρότσι.

Η κατάλληλη αρχιτεκτονική εξαρτάται από:

• Τάση εισόδου

• Απαιτήσεις απομόνωσης

• Αξιολόγηση ισχύος

• Μοντέλο πλεονασμού

• Διάταξη εγκαταστάσεων

• Στρατηγική προστασίας

• Προσέγγιση συντήρησης

Αρχιτεκτονική ISOP: Input-Series, Output-Parallel

ISOPσημαίνει είσοδος-σειρά, έξοδος-παράλληλη.

Σε αυτήν τη διαμόρφωση, οι είσοδοι μετατροπέα-μονάδας συνδέονται σε σειρά έτσι ώστε οι μονάδες να μοιράζονται την υψηλή τάση εισόδου. Οι έξοδοι τους συνδέονται παράλληλα έτσι ώστε να συνδυάζονται για να παρέχουν μεγαλύτερο ρεύμα εξόδου.

Έρευνα IEEE για τον έλεγχο μετατροπέα ISOπροσδιορίζει δύο κεντρικές απαιτήσεις:

• Κοινή χρήση τάσης εισόδου μεταξύ συνδεδεμένων σε σειρά μονάδων

• Κοινή χρήση ρεύματος εξόδου μεταξύ παράλληλων συνδεδεμένων μονάδων

Τα άνισα χαρακτηριστικά εξαρτημάτων, οι θερμικές συνθήκες, οι καθυστερήσεις μεταγωγής και οι συνθήκες φορτίου μπορούν να διαταράξουν αυτές τις σχέσεις κοινής χρήσης. Το σύστημα ελέγχου πρέπει να εμποδίζει μια μονάδα να μεταφέρει υπερβολική τάση ή ρεύμα.

Ένα διάγραμμα ISOP έξι μονάδων αντιπροσωπεύει μια πιθανή διαμόρφωση, όχι μια καθολική απαίτηση SST. Ο αριθμός των μονάδων εξαρτάται από την ονομαστική τάση της συσκευής, την τάση εισόδου του συστήματος, τον λόγο μετατροπής, τη σχεδίαση μόνωσης, τη συνολική ισχύ, τον πλεονασμό και την τοπολογία του μετατροπέα.

SST και ISOP Modular Architecture

SST Engineering Trade-offs

Τα SST μπορούν να υποστηρίξουν αρθρωτή μετατροπή, ενεργό έλεγχο, απομόνωση υψηλής συχνότητας και άμεση ενσωμάτωση με έναν δίαυλο διανομής DC. Αυτά τα πιθανά πλεονεκτήματα πρέπει να εξισορροπηθούν έναντι της πρόσθετης πολυπλοκότητας.

Οι συμβατικοί μετασχηματιστές συχνότητας γραμμής παραμένουν ώριμοι, στιβαροί και σχετικά απλοί. Ως εκ τούτου, ένα SST θα πρέπει να αξιολογηθεί ως επιλογή σε επίπεδο συστήματος και όχι ως αυτόματη ανώτερη αντικατάσταση.

Ρόλος GaN και SiC στη μετατροπή ισχύος του κέντρου δεδομένων AI

Γιατί έχουν σημασία οι συσκευές ευρείας ζώνης

Το νιτρίδιο του γαλλίου και το καρβίδιο του πυριτίου είναι τεχνολογίες ημιαγωγών ευρείας ζώνης που χρησιμοποιούνται στη μετατροπή ισχύος υψηλής απόδοσης.

Η καταλληλότητά τους εξαρτάται από:

• Καταπόνηση τάσης

• Επίπεδο ισχύος

• Τοπολογία μεταγωγής

• Συχνότητα εναλλαγής

• Θερμικές συνθήκες

• Συσκευασία

• Προστασία

• Μέθοδος ελέγχου

• Κόστος συστήματος

Το GaN και το SiC αντιμετωπίζονται καλύτερα ως συμπληρωματικές τεχνολογίες. Η αξία τους εξαρτάται από το πού τοποθετούνται στην αλυσίδα ισχύος και από το πώς είναι σχεδιασμένος ο περιβάλλων μετατροπέας.

Πού μπορεί να χωρέσει ο GaN στο Power Chain

Το GaN θεωρείται συχνά όπου η υψηλή συχνότητα μεταγωγής, τα συμπαγή στάδια μετατροπής και η υψηλή πυκνότητα ισχύος αποτελούν προτεραιότητα.

• Τροφοδοτικά διακομιστή

• Μετατροπείς ενδιάμεσων διαύλων

• Στάδια σημείου φόρτωσης

• Επιλεγμένοι μετατροπείς DC/DC υψηλής αναλογίας

Η πρακτική καταλληλότητά του εξαρτάται από το περιθώριο τάσης, τον σχεδιασμό του πακέτου, τη θερμική διαδρομή, την τοπολογία του μετατροπέα, τις μεταβατικές συνθήκες και τη στρατηγική προστασίας.

Η ισχυρότερη εφαρμογή δεν μπορεί να οριστεί από ένα καθολικό όριο τάσης ή ισχύος. Μια συσκευή GaN μπορεί να είναι εξαιρετικά αποτελεσματική σε μια τοπολογία και λιγότερο κατάλληλη σε μια άλλη με διαφορετικές απαιτήσεις απομόνωσης, θερμότητας ή σφάλματος.

Πού μπορεί να χωρέσει το SiC στο Power Chain

Το SiC θεωρείται συχνά για στάδια υψηλότερης τάσης ή υψηλότερης ισχύος, όπως:

• Διόρθωση στο μπροστινό μέρος

• Μετατροπή DC υψηλής τάσης

• Δομικά στοιχεία SST

• Ηλεκτρονικά τροφοδοσίας που αντιμετωπίζουν εγκαταστάσεις

• Μετατροπείς υψηλής τάσης με όψη ραφιού

Η ικανότητα τάσης και τα θερμικά χαρακτηριστικά του μπορούν να υποστηρίξουν απαιτητικά στάδια μετατροπής, αλλά η ικανότητα της συσκευής από μόνη της δεν καθορίζει την απόδοση του συστήματος. Ο έλεγχος πύλης, η ψύξη, ο μαγνητικός σχεδιασμός, η ενέργεια σφάλματος, η τοπολογία του μετατροπέα και το κόστος παραμένουν σημαντικά.

Οι υβριδικές αρχιτεκτονικές μπορούν να χρησιμοποιούν πυρίτιο, SiC και GaN σε διαφορετικά στάδια, ανάλογα με τη λειτουργία κάθε μετατροπέα.

GaN vs SiC: Όρια επιλογής

Ρόλος GaN και SiC σε όλη την αλυσίδα τροφοδοσίας του AI Data Center

Ο ρόλος του ενδιάμεσου διαύλου 48 V

Γιατί υπάρχει 48V μεταξύ της διανομής υψηλής τάσης και του τσιπ

Ένας ενδιάμεσος δίαυλος 48 V παρέχει μια πρακτική σύνδεση μεταξύ της διανομής σε επίπεδο rack και των ρυθμιστών πλακέτας ή επεξεργαστή χαμηλότερης τάσης.

ΟΑνοίξτε τις προδιαγραφές Open Rack V3 του Compute Projectπεριλαμβάνει ένα οικοσύστημα ισχύος rack 48V. Αυτό παρέχει ένα καθιερωμένο παράδειγμα διανομής ισχύος 48V σε επίπεδο rack και μετατροπής διακομιστή κατάντη.

Σε μια αρχιτεκτονική 800V, μια πιθανή διαδρομή είναι:

800Vρεντο→48Vρεντο→ενδιάμεση ή μετατροπή σημείου φορτίου

Αυτή η προσέγγιση μπορεί να διατηρήσει τα υπάρχοντα κατάντη εξαρτήματα και την υποδομή ισχύος σε επίπεδο rack, ενώ αλλάζει το επίπεδο διανομής ανάντη.

Το 800V HVDC θα αντικαταστήσει τον δίαυλο 48V;

Διαδρομές αρχιτεκτονικής 800V-to-load

Όχι απαραίτητα.

Τα δύο επίπεδα τάσης εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Ένα λεωφορείο 800V μεταφέρει υψηλή ισχύ με χαμηλότερο ρεύμα. Ένας δίαυλος 48 V παρέχει ένα στρώμα διανομής χαμηλότερης τάσης πιο κοντά στις πλακέτες διακομιστή και τους ρυθμιστές επεξεργαστή.

Ορισμένες αρχιτεκτονικές ενδέχεται να διατηρούν 48 V για να μειώσουν τον κίνδυνο μετανάστευσης και να επαναχρησιμοποιήσουν καθιερωμένα εξαρτήματα. Άλλοι μπορεί να το παρακάμψουν μέσω ενός μετατροπέα 800V υψηλής αναλογίας, να εισάγουν διαφορετική ενδιάμεση τάση ή να χρησιμοποιήσουν μια διαδρομή πολλαπλών σταδίων τοποθετημένη πιο κοντά στον επεξεργαστή.

Η επιλογή εξαρτάται από:

• Αποδοτικότητα μετατροπής

• Παροδική απόκριση

• Απομόνωση

• Προστασία

• Διαθεσιμότητα εξαρτημάτων

• Περιοχή συμβουλίου

• Ψύξη

• Εξυπηρέτηση

Η μετάβαση γίνεται καλύτερα κατανοητή ως επανασχεδιασμός στρωμάτων τάσης παρά ως απλή αντικατάσταση των 48V με 800V.

Κατακόρυφη παράδοση ισχύος και το τελικό βήμα στο τσιπ

Τι σημαίνει κάθετη παροχή ισχύος

Τεχνική βιβλιογραφία Open Compute Projectκαι η έρευνα IEEE περιγράφουνκατακόρυφη παροχή ισχύος, ή VPD, ως προσέγγιση σε επίπεδο πλακέτας ή πακέτου που τοποθετεί τη μετατροπή ισχύος κάτω ή στενά ευθυγραμμισμένη με ένα φορτίο επεξεργαστή υψηλού ρεύματος.

Αντί να μετακινείται πολύ υψηλό ρεύμα πλευρικά σε μια μεγάλη διαδρομή της μητρικής πλακέτας, τοποθετείται ένας μετατροπέας ή μια βαθμίδα πολλαπλασιαστή ρεύματος στην αντίθετη πλευρά της πλακέτας ή κάτω από τη συσκευασία του επεξεργαστή. Στη συνέχεια, η ισχύς ταξιδεύει μέσω μιας συντομότερης κατακόρυφης διαδρομής χρησιμοποιώντας συνδέσεις vias και πακέτων.

Στόχος είναι η μείωση:

• Αντοχή στην κατανομή ισχύος

• Παρασιτική αντίσταση

• Πτώση τάσης

• Συμφόρηση πλακέτας κοντά στον επεξεργαστή

Το VPD μπορεί να χρησιμοποιεί διακριτούς μετατροπείς, ενσωματωμένες μονάδες, προηγμένες συσκευασίες, ενσωματωμένα παθητικά στοιχεία ή μετατροπή πολλαπλών σταδίων.

Είναι μια μεταγενέστερη τεχνολογία σε επίπεδο πλακέτας ή πακέτου, όχι εναλλακτική ονομασία για διανομή 800V σε επίπεδο εγκατάστασης.

Το VPD δεν είναι το ίδιο με το Backside Power Delivery μέσα σε ένα Chip

Vertical Power Delivery vs Backside Power Delivery

Τα δίκτυα VPD σε επίπεδο πακέτου και ημιαγωγών πίσω πλευράς παροχής ισχύος μοιράζονται τον στόχο της συντόμευσης της διαδρομής ισχύος, αλλά λειτουργούν σε διαφορετικά φυσικά επίπεδα.

Στην αρχιτεκτονική ισχύος διακομιστή, το VPD συνήθως αναφέρεται στην τοποθέτηση υλικού μετατροπής τάσης κάτω από τον επεξεργαστή ή στην πίσω πλευρά της μητρικής πλακέτας.

Αντίθετα,εξήγηση της imec για την παροχή ισχύος στο πίσω μέροςπεριγράφει μια αρχιτεκτονική ημιαγωγών on-die στην οποία η δρομολόγηση ισχύος απομακρύνεται από τη στοίβα διασύνδεσης σήματος στην μπροστινή πλευρά και προς την πίσω πλευρά του πυριτίου.

Μια έννοια αφορά τη μετατροπή ισχύος σε επίπεδο πλακέτας και πακέτου. Το άλλο αφορά το εσωτερικό δίκτυο ισχύος της μήτρας ημιαγωγών.

Η αντιμετώπισή τους ως πανομοιότυπα θα κάλυπτε σημαντικές διαφορές στην κατασκευή, την ενσωμάτωση και την ευθύνη σχεδιασμού.

Περιορισμοί υιοθέτησης VPD

Η κατακόρυφη παροχή ισχύος μπορεί να συντομεύσει τη διαδρομή υψηλού ρεύματος, αλλά εισάγει μηχανικούς, θερμικούς περιορισμούς και περιορισμούς συσκευασίας.

Σημαντικά ζητήματα σχεδιασμού περιλαμβάνουν:

• Ύψος μονάδας και μηχανικό διάκενο

• Προηγμένες απαιτήσεις συσκευασίας

• Ενσωματωμένα μαγνητικά και παθητικά εξαρτήματα

• Παράσιτα μετατροπέα σε φορτίο

• Τρέχουσα κοινή χρήση

• Μεταβατική απόκριση φορτίου

• Αλληλεπίδραση θερμικής διαδρομής

• Δρομολόγηση σήματος και μνήμης γύρω από τη συσκευασία

Το VPD είναι επομένως μέρος του ευρύτερου επανασχεδιασμού από πλέγμα σε τσιπ, αλλά δεν καταργεί την ανάγκη για αρχιτεκτονικές αποφάσεις ανάντη.

Αντιστοίχιση της πλήρους αλυσίδας τροφοδοσίας από δίκτυο σε τσιπ

Ολοκληρωμένη αλυσίδα παροχής ενέργειας από δίκτυο σε τσιπ

Η διαδρομή ισχύος μπορεί να οργανωθεί σε λειτουργικά επίπεδα. Οι πραγματικές υλοποιήσεις μπορεί να συνδυάζουν, να παραλείπουν ή να μεταφέρουν μεμονωμένα στάδια.

Καμία τεχνολογία ημιαγωγών δεν εμφανίζεται σε κάθε στρώμα. Κανένα επίπεδο τάσης δεν επιλύει κάθε πρόβλημα διανομής και ρύθμισης.

Η αρχιτεκτονική πρέπει να συντονίζει τη μεταφορά υψηλής τάσης με προοδευτική μετατροπή χαμηλότερης τάσης και υψηλότερου ρεύματος καθώς η ισχύς πλησιάζει τον επεξεργαστή.

Τεχνικές ανταλλαγές ενός κέντρου δεδομένων 800V HVDC AI

Αποτελεσματικότητα και Συναλλαγές στο Στάδιο Μετατροπής

Η μείωση του ρεύματος και η κατάργηση της περιττής μετατροπής μπορεί να βελτιώσει την απόδοση, αλλά μόνο όταν τα στάδια αντικατάστασης λειτουργούν αποτελεσματικά σε όλο το προφίλ πραγματικού φορτίου.

Μια ουσιαστική σύγκριση πρέπει να ορίζει:

• Όρια εισόδου και εξόδου

• Αριθμός ενεργών σταδίων μετατροπής

• Συμπεριφορά μερικού φορτίου

• Ψύξη και βοηθητική κατανάλωση

• Λειτουργία περιττής διαδρομής

• Μετατροπή εφεδρικής ενέργειας

• Απώλειες καλωδίων και ζυγών

• Απώλειες προστασίας-συσκευής

Η κορυφαία απόδοση για ένα τρανζίστορ, μετατροπέα ή σχέδιο αναφοράς δεν είναι ισοδύναμη με την απόδοση ολόκληρης της αλυσίδας ισχύος του κέντρου δεδομένων. Απαιτείται αξιολόγηση από άκρο σε άκρο.

Πυκνότητα ισχύος, καλωδίωση και θερμικός σχεδιασμός

Η υψηλότερη τάση μπορεί να μειώσει το ρεύμα διανομής, επιτρέποντας ενδεχομένως μικρότερους αγωγούς ή περισσότερη ισχύ μέσω του ίδιου χώρου αγωγού.

Ωστόσο, η υψηλότερη τάση απαιτεί επίσης κατάλληλα:

• ερπυσμός και κάθαρση

• Μόνωση

• Συνδέσεις

• Περιφράξεις

• Εξεύρεση της φόρας

• Απομόνωση

• Εξοπλισμός προστασίας

Η θερμότητα του μετατροπέα μπορεί να συγκεντρωθεί περισσότερο εάν τα ηλεκτρονικά ισχύος μετακινηθούν σε πλαϊνά καρέ, μονάδες rack ή συμπαγείς μονάδες SST.

Ο στόχος δεν είναι απλώς η ελαχιστοποίηση του χαλκού. Είναι η εξισορρόπηση του όγκου του αγωγού, του υλικού μετατροπής, της ψύξης, της προστασίας, του χώρου συντήρησης και της υπολογιστικής πυκνότητας.

Αξιοπιστία, Πλεονασμός και Συντηρησιμότητα

Μια αρθρωτή αρχιτεκτονική μπορεί να υποστηρίξει απομόνωση σφαλμάτων και αντικατάσταση σε επίπεδο μονάδας, αλλά μπορεί επίσης να εισάγει περισσότερους μετατροπείς, αισθητήρες, ελεγκτές, διεπαφές και εξαρτήσεις ελέγχου.

Η ανάλυση αξιοπιστίας πρέπει να διακρίνει μεταξύ:

• Αξιοπιστία ημιαγωγών-συσκευών

• Αξιοπιστία μονάδας μετατροπέα

• Αξιοπιστία συστήματος ελέγχου

• Μηχανική και αξιοπιστία συνδετήρων

• Εξάρτηση συστήματος ψύξης

• Πλεονασμός σε επίπεδο συστήματος

• Χρόνος επισκευής

• Διαθεσιμότητα ανταλλακτικών

Ένα σύστημα με υψηλή απόδοση εξαρτημάτων μπορεί να εξακολουθεί να είναι λειτουργικά αδύναμο εάν είναι δύσκολο να απομονωθεί, να αντικατασταθεί, να δοκιμαστεί ή να αποκατασταθεί μετά από ένα σφάλμα.

Κόστος, τυποποίηση και ωριμότητα ανάπτυξης

Το οικοσύστημα 800V εξακολουθεί να απαιτεί ευθυγράμμιση σε:

• Παράθυρα τάσης

• Διεπαφές συνδέσμων

• Πρακτικές προστασίας

• Διαδικασίες συντήρησης

• Διαλειτουργικότητα εξοπλισμού

ΟΑνοίξτε το υποέργο Compute Project Distribution Powerπαρέχει ένα φόρουμ συνεργασίας για την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών διανομής DC υψηλότερης τάσης και κοινών βιομηχανικών πρακτικών.

Αυτό το έργο του οικοσυστήματος δεν πρέπει να συγχέεται με μια πλήρως ομοιόμορφη εγκατεστημένη βάση.

Η αξιολόγηση