רכיבים מודרניים המפעילים את מערכות HPC של מרכזי נתונים בתוך שטף הבינה המלאכותית (AI‏)

הצמיחה של מרכזי הנתונים גואה על רקע התרחבות שירותי הענן והביקוש הפתאומי ליישומי בינה מלאכותית (AI) התלויים במודל שפה גדול (LLM‏) הדורשים מדרגיות רבה יותר ומשאבי חישוב עצומים. זה מצריך דור חדש של מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים (HPC) המשתמשות ברכיבים מיוחדים היכולים לתת מענה לצורכי הספק וניהול תרמי גבוהים יותר.

צורכי מרכזי נתונים אלה מניעים את הביקוש לרכיבים פסיביים משופרים כמו קבלי הספק, נגדים ומשרנים, שמתכנני מוצרים יכולים להשתמש בהם בפיתוח התקני HPC‏ מתקדמים יותר כדי לעמוד בדרישות עבור עיבוד AI. דרישות אלו כוללות יותר יעילות, ביצועים, אמינות וניהול תרמי בהתקנים קטנים יותר המאפשרים למרכזי נתונים למטב את השטח ולהגדיל את צפיפות המערכות שלהם.

משרנים טובים יותר עבור יעילות HPC

KEMET, חברת בת של קבוצת YAGEO, פיתחה משרני תרכובת מתכת כדי לשפר את הביצועים של ממירי DC-DC וספקי-כוח ממותגים. תוך מינוף ההיסטוריה שלה כספקית של רכיבים מגנטיים מותאמים-במיוחד עבור יצרני ציוד מקורי (OEM), היא פיתחה קו סטנדרטי של משרני הספק METCOM MPX‏ הכוללים טולרנס גבוה יותר עבור טרנזיינטי זרם וטמפרטורות פעולה גבוהות יותר, ומעניקים גם תכן קומפקטי וגם ביצועים גבוהים.

משרני ההספק תרכובת מתכת METCOM‏ הם בעלי ליבה עם צפיפות שטף רוויה גבוהה, המאפשרת שדה מגנטי חזק יותר לעומת משרני פרייט (Ferrite‏) מסורתיים. הם מספקים השראות יציבה על פני הטמפרטורה והזרם.

הליבה מורכבת מאבקת מתכת עם ציפוי מבודד וחומר הדבקה. תחום ההשראויות הזמין עבור סדרת MPX‏ הוא µH‏ 0.1‏ עד µH‏ 100‏.

סליל נחושת עגול, המוקף באבקת תרכובת מתכת מגנטית בתהליך של סינטור (Sintering‏) (איור 1), יוצר מבנה משרן יציב בטמפרטורה ובזרם, והופך אותו למתאים עבור מייצבי DC-ל-DC‏ רבים כגון ספקי-כוח ממותגים עבור שרתי מרכזי נתונים, משרני הספק, משרני מסנן EMI ומייצבי נקודת-עומס.

איור 1: משרני ההספק METCOM MPX משתמשים בחוט נחושת עגול המוקף באבקת תרכובת מתכת מגנטית בתהליך של סינטור (Sintering‏). (מקור התמונה: KEMET)

אבקת המתכת מאפשרת לייצר משרנים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ועמידות בחום גדולה יותר, המאפשרים חתימות-שטח קטנות יותר לעומת משרני ליבות פרייט (Ferrite‏), ביחד עם היתרונות הנוספים של הפסדי ליבה נמוכים יותר בתדרים גבוהים יותר ושיכוך מעולה של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). כל אלו יחד מעניקים עמידות ואמינות גבוהות יותר, החיוניות לפעילות מרכזי נתונים.

עם יותר מ-200 אפשרויות בסדרת MPX (איור 2), Kemet מספקת מגוון רחב של אפשרויות. המידות הזמינות כוללות 5 x‏ 5 מ"מ, 6 x‏ 6 מ"מ, 8 x‏ 8 מ"מ, 10 x‏ 10 מ"מ, 12 x‏ 12 מ"מ, 17 x‏ 17 מ"מ ו-22 x‏ 22 מ"מ.

איור 2‏: גורם הצורה של METCOM MPX‏. (מקור התמונה: KEMET)

ה-MPX1D0630L3R3‏, לדוגמה, הוא רכיב בגודל 6‏ x‏ 6‏ מ"מ ובגובה של 3.0 מ"מ המאפשר ניצול יעיל של המקום על גבי לוח PCB הארוז בצפיפות מבלי להקריב את הביצועים. עם טמפרטורת פעולה נומינלית של עד C‏°‏155‏+, השראות של µH‏ 3.30‏ ±‏ %‏20‏ והתנגדות DC‏ מקסימלית של mΩ‏ 30.3‏, הוא מתאים עבור סביבות HPC‏ בהן שמירה על תקינות הספקת-הכוח, ניהול תרמי ונצילות הם קריטיים.

עבור דרישות פחות קפדניות או ורסאטיליות רבה יותר לגבי ערכי ההשראות, ה-MPX1D0530L220‏ מגיע עם חתימת-שטח של 5 x‏ 5 מ"מ וגובה של 3.0 מ"מ ועם השראות של µH‏ 22.00‏. עם התנגדות DC מקסימלית גבוהה יותר של mΩ‏ 341.2‏, זה יתאים במקרים שבהם ניהול תרמי הוא פחות בעייתי, או שיש קירור נוסף מובנה בתוך המערכת.

אפשרויות משרני חרוז להספק עבור HPC

במערכות HPC שבהן נדרש שיכוך EMI כללי ללא דרישות ביצועים מחמירות, חברה אחרת של YAGEO‏, Pulse Electronics‏, מציעה משרני חרוז להספק הממוטבים עבור טיפול בזרם גבוה. הם תוכננו במיוחד לשימוש עם טופולוגיית מייצב מתח טרנס-משרן (TLVR‏).

משרני חרוז להספק עם ליבת פריט הם חלופה למשרני טורואיד-מלופף שבדרך כלל מזינים מייצבי מתח ליבה שולחניים (VCORE‏). מיוצרים בטכנולוגיית חור-עובר (THT), משרני חרוז להספק מעניקים נצילות גבוהה יותר ומציעים טולרנס הדוק יותר המאפשר גודל קטן יותר במייצבי VCORE‏.

במקום להגדיל את זרמי האדווה של משרני ליפוף-יחיד בטופולוגיית Buck‏ רבת-פאזות, משרני חרוז להספק מאפשרים השראויות קטנות יותר ומאפשרים פשרת תכן בין המהירות בה הממיר מגיב לשינוי בזרם העומס (היענות לטרנזיינטים) לבין יציבות חוג הבקרה.

הרכיבים של Pulse Electronics משמשים בדרך כלל במייצבי מתח רב-פאזיים בעלי זרם גבוה המזינים מעבדים, מודולי זיכרון ו-ASICS ו-FPGAs בעלי זרם גבוה עבור שרתים, כרטיסים גרפיים, אחסון ומרכזי נתונים. משרני TLVR עם ליפופים כפולים אלה זמינים בחתימות-שטח של 4 x‏ 4‏ מ"מ עד 13 x‏ 13‏ מ"מ עם תחומי השראות מ-nH‏ 20‏ עד µH‏ 1‏.

חלקים עם גורם-צורה סדרת PAL6373.XXXHLT‏ (איור 3), כגון PGL6380.101HLT‏, מגיעים עם חתימת-שטח של 12‏ x‏ 6‏ מ"מ עם השראויות בתחום של nH‏ 100‏ עד nH‏ 200‏, זרם רוויה נומינלי שיא של A‏ 59‏ עד A‏ 125, ותחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+. הם בנויים עם ליבת פרייט (Ferrite‏) המורכבת על ליפוף 1T או 2T, והם בעלי התנגדות DC‏ (DCR) נמוכה ביותר, זרם שיא גבוה והפסדי AC נמוכים. הם זמינים בגרסות חד-פאזי, פאזות משולבות וגרסות משרן מצומד.

איור 3: גורם הצורה של משרן חרוז להספק סדרת PAL6373.XXXHLT של Pulse Electronics. (מקור התמונה: Pulse Electronics)

עבור מערכות HPC, הבחירה בין משרני חרוז להספק לבין סוגי תרכובת מתכת תלויה בדרישות הספציפיות של המערכת, כגון הצורך ביציבות השראות גבוהה, עמידות בטמפרטורה והפחתת רעש. משרני KEMET מציעים ביצועים יציבים על פני תחום טמפרטורות מורחב, עד 180°C‏+, ומבנה המתכת היצוק שלהם מסייע בהפחתת הרעש האקוסטי, היכול להיות יתרון במערכות HPC רגישות לרעש.

קבלים יציבים עם חיים ארוכים

קבלי אלקטרוליט מוצק אלומיניום פולימר מוליך של KEMET מתאימים גם לדרישות התובעניות של מערכות HPC, שבהן הביצועים, הנצילות והאמינות הם קריטיים.

שלא כמו קבלי אלקטרוליט "רטוב" מסורתיים מאלומיניום המשתמשים באלקטרוליט נוזלי מוליך, הפולימר המוצק בקבלים של KEMET הוא בעל התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה שהיא יציבה על פני טמפרטורות, תדרים ואורך חיי פעולה.

עם יכולת זרמי אדווה גבוהים יותר וחיי-מוצר ארוכים יותר לעומת קבלי פולימר רטוב, שבהם האלקטרוליט יכול להתייבש ולהתקלקל, התקני פולימר מוצק חסינים יותר לרעידות ומתוכננים עבור יציבות גבוהה יותר. הם שומרים על הקיבוליות ביעילות בתדרים גבוהים, מה שהופך אותם לאופציה אטרקטיבית עבור ספקי-כוח ממותגים מהירים.

קבלי KEMET פועלים ביעילות תחת דרישות הזרם הגבוהות האופייניות למערכות HPC ללא הפסדי הספק משמעותיים, והם מתאימים עבור מתחים גבוהים יותר בהשוואה לקבלי אלקטרוליט סטנדרטיים בשל השילוב של פולימר ואלקטרוליט מוליך. התכונות החשמליות המשופרות והחוסן של קבלי אלקטרוליט מוצק אלומיניום פולימר יכולים לשפר משמעותית את הנצילות והאמינות הכוללת של מערכות HPC בהשוואה לחלופות.

מתוכננים להציע חיים ארוכים יותר ויציבות רבה יותר על פני מגוון רחב של טמפרטורות, סדרת A768‏ של KEMET של קבלי הרכבה-משטחית (איור 4) מגיעים עם ערכים בתחום של µF‏ 18‏ עד µF‏ 1,200, ומתחים בתחום של _DC‏V‏ 4‏ עד _DC‏V‏ 80‏. לדוגמה, ה-A768MS108M1CLAE015‏ הוא גרסת V‏ 16‏, µF‏ 1,000‏ עם דירוג ESR‏ של mOhm‏ 15‏ ותחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏55‏- עד C‏ִ°‏125‏+. יש לו גודל פד נחיתה של 0.406 אינץ' x‏ 0.406 אינץ' (10.30 מ"מ x‏ 10.30 מ"מ).

איור 4‏: קבל אלומיניום פולימר מוצק בהרכבה-משטחית סדרת A768‏ של KEMET‏. (מקור התמונה: KEMET)

קבלים אלה מתוכננים לשמור על ביצועים בתנאים תרמיים תובעניים, וקיימות גרסות לעמידות בפני רעידות של עד g‏ 30 עבור סביבות HPC שבהן מאמץ או תנועה מכנית עלולים לגרום לאי-יציבות.

נגדי שבב פילם דק

רכיב חשוב נוסף עבור תכני HPC הם נגדי שבב המשלימים מהפכי הספק וקבלים כדי להגן מפני זרימת זרם חריג ולהבטיח את היציבות והנצילות הכוללת של המערכת. בשנת 2023, קבוצת YAGEO הציגה את סדרת NT‏ שלה של נגדי שבבי פילם דק טנטלום ניטריד, המתוכננים לשמור על ביצועים עם עקביות גבוהה בסביבות תובעניות.

התכן עם פסיבציה-עצמית של סדרת NT יוצר שכבה אטומה למים המגנה על השכבה ההתנגדותית מפני חדירת רטיבות. ההתקנים זמינים בגודלי מארז מ-0402 עד 1206, עם תחום התנגדויות מ-Ω‏ 100‏ עד kΩ‏ 481‏.

עם תחום טמפרטורות פעולה רחב של C‏°‏55‏- עד C‏°‏155‏+, נגדי NT‏ תורמים לפילוג הספקת-כוח יציב והעברת אנרגיה יעילה. הם מעניקים מקדם טמפרטורה של ההתנגדות (TCR) נמוך של C‏°ppm‏ 25‏± ו-C‏°ppm‏ 50‏±, עם דירוגי הספק של W‏ 1/20‏ עד W‏ 2/5‏.

סיכום

הדרישות של מחשוב ענן ובינה מלאכותית (AI‏) מניעות את הצורך ברכיבים אלקטרוניים עם תכונות ספציפיות כדי לספק אמינות גבוהה בתנאים תובעניים. המתכננים יכולים לעמוד בדרישות המתפתחות עבור מערכות HPC עם משרני הספק, נגדים וקבלים מיוחדים, כמו אלה שסופקו על ידי קבוצת YAGEO וחברות הבת שלה KEMET ו-Pulse Electronics.