כיצד לספק ניהול הספקת-כוח יעיל עבור מרכזי נתונים של AI‏

הצמיחה של בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML) יצרו דרישות הספקת-כוח חסרות-תקדים. הדור-הבא של מרכזי נתונים עומד בפני אתגרים משמעותיים בניהול הספקת-כוח, נצילות ואמינות. פתרונות הספקת-כוח מסורתיים מתקשים לעתים לעמוד בדרישות הללו ברמת הרכיבים הבודדים וניהול תשתית מרכזי הנתונים (DCIM‏) הכולל. רכיבי הספקת-כוח מתקדמים ופתרונות ניטור משולבים מציעים גישה מקיפה לעמידה באתגרים אלו.

לדוגמה, טכנולוגיית קבלים היברידיים מספקת הספקת-כוח יציבה; פתרונות עם התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) אולטרה-נמוכה מאפשרים נצילות בהמרת הספק בזרם גבוה; נגדים בעלי דיוק גבוה מאפשרים ניטור הספק מדויק; ושילוב אלחוט מספק ניהול הספקת-כוח מקיף.

מאמר זה בוחן כיצד אלמנטים אלה עוזרים ליצור מערכות ניהול הספקת-כוח חסונות עבור מרכזי נתונים מונעי-AI‏. אחר כך הוא מציג פתרונות של Panasonic‏ עבור כל ארבעת התחומים ומדגים את היישום שלהם בסביבות של מרכזי נתונים מודרניים.

הספקת-כוח יעילה במרכזי נתונים עם טכנולוגיית קבלים היברידיים

מרכזי נתונים מודרניים דורשים המרת הספק נרחבת. הם זקוקים למאות קילו-וולט של הספקת-כוח AC‏ (kVAC‏) מרשת החשמל. מתח זה מופחת תחילה לעשרות kVAC‏ לחלוקה על פני קמפוס מרכז הנתונים. לאחר מכן הוא מומר הלאה למאות VAC לפילוג בארונות הציוד.

ברמת הארון, הספק AC מומר לזרם ישר, בדרך כלל 12 וולט DC‏ (VDC‏), כדי לעמוד בדרישות של ציוד ה-IT. לבסוף, בתוך כל חלק של ציוד, המתח מיוצב הלאה לרמות נמוכות יותר, לרוב בין 1.1 עד 5 וולט, כדי להפעיל את הרכיבים הבודדים כגון מעבדים ומודולי זיכרון.

כל שלב בשרשרת זו מציג הפסדים היכולים להשפיע משמעותית על הנצילות הכוללת של מרכז הנתונים. מתכנני הספקת-כוח למרכזי נתונים מאמצים יותר ויותר מוליכים-למחצה עם Bandgap‏-רחב (WBG) כמו גליום ניטריד (GaN) כדי למזער הפסדים בדרגות ההמרה האחרונות. בהשוואה לסיליקון מסורתי (Si), התקני WBG משיגים נצילות מעולה באמצעות תדרי מיתוג גבוהים יותר והפסדי הולכה נמוכים יותר.

עם זאת, טכנולוגיית הקבלים המשמשת בממירים אלו מציבה אתגרי תכנון משמעותיים. למתכנני מערכות הספקת-כוח היו באופן מסורתי שתי טכנולוגיות קבלים מוכחות: קבלי אלקטרוליט אלומיניום קונבנציונליים, שהם בעלי זרם זליגה נמוך, וקבלי פולימר, בעלי מאפייני ESR יוצאי-דופן. קבלי אלקטרוליט אלומיניום היברידיים סדרת EEH‏ של Panasonic‏ (איור 1‏) מציגים אפשרות שלישית המשלבת את נקודות החוזק של שתיהן כדי למזער את ההפסדים עקב זרם זליגה ו-ESR‏.

איור 1‏: קבלי אלקטרוליט אלומיניום היברידיים סדרת EEH‏ ממזערים את ההפסדים עקב זרם זליגה ו-ESR‏. (מקור התמונה: Panasonic‏)

לקבלים היברידיים יש יתרונות נוספים, כולל אמינות משופרת במצבי תקלת מעגל-פתוח ושמירה על הקיבוליות הנומינלית שלהם בתדרים גבוהים בהרבה לעומת תכנים מסורתיים. בעוד שקבלים קונבנציונליים מתחילים לאבד יעילות בתדרים של עשרות קילו-הרץ (kHz), קבלים היברידיים שומרים על ביצועיהם בתדרים המתקרבים ל-1 מגה-הרץ (MHz). תדר פעולה גבוה יותר זה מאפשר שימוש בקבלים קטנים יותר, ומאפשר למתכננים ליצור ממירים קומפקטיים יותר או לפנות מקום בלוח עבור מאפיינים נוספים.

דוגמה טיפוסית של קבלים היברידיים הוא EEH-ZA1V151P‏. קבל זה של 150 מיקרו-פאראד (µF‏), 35‏ וולט שומר על ESR נמוך של 27 מילי-אוהם (mΩ‏), הוא בעל תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏55‏- עד בערך C‏°‏105‏+ ואורך חיים של 10,000 שעות (ב-C‏°‏105‏+). התאמתו ליישומי מרכז נתונים מודגמת בלוח הערכת ממירי DC/DC‏ EVLMG1-250WLLC‏ של STMicroelectronics‏ (איור 2). לוח GaN זה משיג צפיפות הספק של 20 וואט לאינץ' מעוקב (W/in.³‏) עם נצילות הטובה יותר מ-92%‏.

איור 2: לוח הערכת ממירי EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC מדגים את הפוטנציאל של הקבל ההיברידי. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

היתרונות של קבלים בעלי ESR נמוך עבור הספקת-כוח בצפיפות גבוהה ועם נצילות גבוהה

המגמה של ממירי DC/DC עם צפיפות הספק גבוהה במרכזי נתונים יוצרת אתגרי ניהול תרמי ייחודיים. צפיפות ההספק ההולכת וגדלה ושטח הרכיבים המופחת יכולים להעלות באופן דרמטי את טמפרטורות הפעולה.

מזעור ה-ESR של הקבלים יכול להתמודד בחלקו עם אתגרים תרמיים אלה. מכיוון שהפסדי ההספק הם ביחס ל-I²R‏, הפחתת ההתנגדות מפחיתה ישירות את הפסדי ההספק, וכתוצאה מכך, את יצירת החום. זה הופך ESR נמוך לחיוני לשמירה על טמפרטורות פעולה בטוחות בתכנים קומפקטיים.

עם זאת, אפילו הקבלים היעילים ביותר יכולים לחוות טמפרטורות פעולה גבוהות עקב הסביבה שלהם. לכן, בחירת קבל היכול לעמוד בחום של מרכז נתונים עמוס בהתקנים היא חיונית. איור 3 מציג טבלת בחירה המביאה בחשבון את טמפרטורת הפעולה, בין יתר השיקולים.

איור 3: מוצג מדריך בחירה עבור קבלים היברידיים המבוסס על זרם אדווה, קיבוליות, גודל וטמפרטורת פעולה. (מקור התמונה: Panasonic‏)

בעוד שתדרי המיתוג הגבוהים המתאפשרים הודות לטכנולוגיית GaN מאפשרים מארזים קטנים יותר, טכנולוגיית הקבלים חייבת לשמור על קיבוליות מספקת כדי להתמודד עם זרמי אדווה גבוהים. עם אפשרויות קיבוליות מ-μF‏ 47‏ עד μF‏ 680‏ והיכולת להתמודד עם עד 2.3 אמפר (A) ב-100 קילו-הרץ, הקבלים ההיברידיים של סדרת EEH-ZL‏ נותנים מענה לאתגרים אלו. יש להם גם פעולה מובטחת עד 135°C‏+ ו-ESR‏ הנמוך עד כדי mΩ‏ 14‏.

דוגמה לכך הוא קבל μF‏ 680‏ EEH-ZL1E681P‏, עם ESR של mΩ‏ 14‏ וקוטר מארז של 10.0 מ"מ.

שימוש בנגדים בעלי דיוק גבוה עבור ניטור הספק מדויק

ממירי DC/DC ביישומי מרכזי נתונים דורשים משוב מדויק ביותר עבור בקרת הספק. זה קריטי במיוחד בתכנים מבוססי-GaN, שבהם אפילו שגיאות קלות במשוב יחס-המחזור עלולות לגרום לתנאי מתח-יתר או זרם-יתר מסוכנים.

בעוד שקיימות טכנולוגיות חישת זרם שונות, נגדי מצד (Shunt‏) הם מתאימים במיוחד עבור סביבות מוגבלות-מקום בשרתים, תשתית אחסון וספקי כוח. עם זאת, צפיפות ההספק הגבוהה של תכנים מודרניים יוצרת אתגרים משמעותיים עבור חישת זרם התנגדותית.

האתגר העיקרי טמון ביציבות התרמית. ערכי ההתנגדות עלולים להיסחף משמעותית כאשר טמפרטורות הפעולה משתנות ועלולות לפגוע בדיוק המדידה. זה הופך את מקדם ההתנגדות התרמי (TCR) למפרט קריטי. הוא חייב להיות נמוך ככל האפשר כדי לשמור על דיוק המדידה על פני תחומי הטמפרטורות הרחבים שנתקלים בהם בפעולות במרכז הנתונים.

נגדים סדרת ERA-8P‏ (איור 4) של Panasonic‏ נותנים מענה לאתגרים אלה באמצעות כמה מאפיינים חדשניים:

• TCR אולטרה-נמוך של ^6‏-10‏ ×‏ 15‏± לכל מעלה Kelvin‏ (K‏) מושגת הודות לעיבוד פילם-דק מדויק
• שכבת שרף רכה להפחתת המאמצים מתחת לנגד הממזערת את היווצרות סדקי הלחמה במהלך מחזורים תרמיים
• משטח מצע אלומינה חלק המבטיח עובי פילם התנגדותי אחיד
• תבנית התנגדות סרפנטינה ארוך ועדין המפזר את ריכוז עומס הזרם ומעניק התנגדות פריקה אלקטרוסטטית (ESD) מובילה בתעשייה

איור 4: נגדי סדרת ERA-8P מתוכננים עבור יציבות תרמית גבוהה. (מקור התמונה: Panasonic‏)

ה-ERA-8PEB1004V‏ מדגים את היכולות הללו עם מפרטים המתאימים לניטור הספקת-הכוח של מרכז נתונים:

• מתח אלמנט מגביל גבוה של V‏ 500‏ ב-MΩ‏ 1‏ עבור ניטור פסי הספקת-כוח במתח-גבוה
• דירוג הספק של W‏ 0.25‏ המבטיח הפסדי הספק מינימליים
• תחום טמפרטורות פעולה רחב של C‏°‏55‏- עד C‏°‏155‏+
• התנגדות פריקה אלקטרוסטטית (ESD) מעולה עבור פעולה אמינה בסביבות הספק גבוה

שימוש ב-Wi-Fi לניטור נצילות הספקת-הכוח

DCIM מתמודד עם מורכבות הולכת וגוברת כאשר עומסי עבודה של AI מניעים את הפריסה של יותר שרתים, מערכות אחסון ויחידות הספקת-כוח. בעוד שניטור צריכת ההספק במערכות אלו הוא חיוני עבור מיטוב הנצילות, פתרונות ניטור חוטיים מסורתיים מוסיפים עלות, מורכבות ואתגרי ניהול כבלים שרק מצטברים ככל שהמתקנים מתרחבים.

ניטור אלחוטי מציע פתרון אלגנטי לאתגרים אלו. הוא מאפשר ניהול הספקת-כוח בזמן-אמת באמצעות מדידות מתח, זרם וטמפרטורה ללא התקורה של כבלים נוספים. גישה זו מעניקה גמישות רבה יותר למידרוג התפעול מעלה או מטה מבלי להגדיר-מחדש את החיבורים הפיזיים.

עם זאת, מודולי אלחוט עבור יישומי מרכז נתונים חייבים לתת מענה למספר דרישות מחמירות:

• שמירה על חיבוריות אמינה בסביבות עם מכשולים ומקורות הפרעה פוטנציאליים רבים
• צמצום צריכת ההספק כדי לשמור על שיפורי הנצילות הכוללת
• התאמה בתוך גורמי צורה קומפקטיים כדי להשתלב עם ציוד קיים
• הוספת מאפייני אבטחה חסונים כדי להגן על מידע רגיש במרכז הנתונים

מודול Wi-Fi‏ PAN9320‏ ENW-49A01A3EF‏ (איור 5) של Panasonic‏ נותן מענה לאתגרים הללו באמצעות ערכת המאפיינים המקיפה שלו:

• פעולת GHz‏ 2.4‏ מעניקה חדירה מעולה דרך מכשולים במרכז הנתונים תוך הבטחת תאימות רחבה באמצעות תמיכה בתקני 802.11b/g/n.
• נצילות הספקת-הכוח נשמרת הודות לצריכת הספק מינימלית בשידור (Tx) של 430 מיליאמפר (mA) ו-mA‏ 160‏ בקליטה (Rx‏) באופן 802.11b‏.
• תכן קומפקטי של 29.0 מ"מ × 13.5 מ"מ × 2.66 מ"מ מפשט את האינטגרציה.
• מאפייני אבטחה מובנים, כגון TLS/SSL, HTTPS ו-WPA2, מגנים על מידע רגיש.

יכולות אלו מאפשרות למפעילי מרכזי נתונים ליישם ניטור הספק מקיף תוך מזעור התקורה הפיזית והתפעולית הקשורה בדרך כלל למערכות כאלה.

איור 5‏: ה-ENW-49A01A3EF‏ מספק פתרון Wi-Fi‏ GHz‏ 2.4‏ מקיף עבור DCIM‏ יעיל. (מקור התמונה: Panasonic‏)

מסקנות

הדרישות של עומסי עבודה של AI‏ מחייבות חשיבה מחודשת על תשתית הספקת-הכוח שלהם, החל מבחירת רכיבים בודדים ועד למערכות ניטור עבור כלל המתקנים. פורטפוליו הקבלים ההיברידיים של Panasonic, טכנולוגיית ESR אולטרה-נמוכה, נגדים מדויקים וחיבוריות אלחוטית מספקים למפעילי מרכזי נתונים את הכלים הדרושים להם כדי לבנות ולתחזק מערכות הספקת-כוח יעילות ומידרגיות לתמיכה ביישומי AI של הדור-הבא.