أدى النمو المتفجّر في أحمال الذكاء الاصطناعي إلى تغيير متطلبات تصميم أنظمة طاقة الخوادم جذريًّا. ومع ازدياد عدد الترانزستورات المُدمَجة في وحدات معالجة الرسومات (GPUs) والمعالجات المركزية (CPUs) ومُسرِّعات الذكاء الاصطناعي المتخصِّصة (xPUs) داخل حزمة واحدة، ارتفعت الطاقة الكهربائية المُزوَّدة لهذه الأجهزة على اللوحة الأم إلى مئات، بل وآلاف الواط لكل منفذ. وللحفاظ على هذا التسارع، تُدفع وحدات تنظيم الجهد (VRMs) ومُحوِّلات التغذية عند نقطة الاستهلاك (PoL) التي تُ питّ هذه المعالجات نحو كثافة تيار أعلى واستجابة أسرع للتغيرات المفاجئة مما كان عليه في أي وقت مضى في تاريخ الخوادم.
في قلب كل واحدة من هذه المراحل الكهربائية توجد مكوّنٌ بسيطٌ ظاهريًّا: الملف الحثي. وليس هذا الملفُ جزءًا عاديًّا على الإطلاق، بل أصبح أحد العوامل الأساسية التي تُمكِّن تصميم الطاقة في خوادم الذكاء الاصطناعي؛ أما إذا اختير بشكل غير مناسب، فقد يتحول إلى أحد أبرز نقاط الاختناق في هذا التصميم. وتتناول هذه المقالة كيفية تطور أنظمة توصيل الطاقة في خوادم الذكاء الاصطناعي، وما تطلبه هذه التطورات من الملفات الحثية، والمعايير التي يجب على المهندسين وزنها بعناية فائقة عند الاختيار، وكيف تلبي سلاسل الملفات الحثية المصمَّمة خصيصًا — مثل سلسلتي CSBA وCSHN من شركة CODACA — هذه المتطلبات عمليًّا.
تتراجع أنظمة الطاقة التقليدية في الخوادم لصالح هياكل تعتمد على أربعة اتجاهات متوازية:
◾توزيع التيار المستمر عالي الجهد. فإن العديد من رفوف خوادم الذكاء الاصطناعي من الجيل القادم تنتقل تدريجيًّا نحو قضبان حافلة تيار مستمر بجهد ٤٨ فولت بدلًا من نظام التوزيع القديم بجهد ١٢ فولت، مما يقلل من الفقد الناتج عن مقاومة التوصيل (I²R) عبر اللوحة الخلفية قبل تخفيض الجهد عند مستوى اللوحة الإلكترونية.
◾تحويل الطاقة الموزَّع عند نقطة الاستهلاك. بدلًا من محول مركزي واحد، يتم الآن تنظيم الطاقة بالقرب من كل معالج عبر مراحل متعددة لتنظيم الطاقة عند نقطة التحميل (PoL)، وكل مرحلة مزودة بمجموعة خاصة بها من المحاثات.
◾التحكم الرقمي. تتيح وحدات التحكم الرقمية في نمط التعديل العرضي النبضي (PWM) ذات الحلقات التغذوية السريعة للمحولات الاستجابة لقفزات الحمل القصوى التي تتميز بها مهام وحدات معالجة الرسومات (GPU).
◾إدارة الطاقة الذكية. تُكيّف مراحل الطاقة المدعومة بالبيانات الاستكشافية عدد المراحل وسلوك التبديل ديناميكيًّا استنادًا إلى ظروف الحمل الفعلية في الزمن الحقيقي.
يؤدي كل تغيير هيكلي إلى إنشاء متطلبات أداء جديدة للمحاثات، ما يجعل اختيار المحاثات قرار تصميم رئيسي بدلًا من أمرٍ يُهمَل في المرحلة الأخيرة. ولماذا تكتسب المحاثات أهميةً بالغةً في توصيل الطاقة لخوادم الذكاء الاصطناعي.
تقع محاثات الطاقة في الطرف الأمامي من سلسلة توريد الطاقة الخاصة بالرقاقة، وتزوّد السيليكون الذي يؤدي عمليات الحوسبة الخاصة بالذكاء الاصطناعي بتيارٍ مستقرٍ ومنخفض الضوضاء. وهي تؤدي عدة وظائف في وقتٍ واحدٍ على طول مسار توصيل الطاقة في خوادم الذكاء الاصطناعي:
◾ تخزين الطاقة وتنظيم الجهد في تشكيلات المحولات المنخفضة الجهد (buck)، والمتعددة المراحل (multiphase)، وذات الاستجابة الزمنية المنخفضة جدًّا (TLVR)، والتي تغذي وحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) وبطاقات التسريع.
◾ تنعيم الموجة حتى تُوفِّر مراحل التحويل المباشر-المباشر ذات التبديل السريع تيار إخراج نظيف ومستقر، بدلًا من موجة مشوَّشة قد تُسبِّب عدم استقرار في المنطق الرقمي الحسّاس.
◾ ترشيح الإشارات وكبت الضوضاء حيث تعمل مقاومات التشويش الشائع الوضع (common-mode chokes) والمُحثّات ذات الوضع التفاضلي جنبًا إلى جنب مع المكثفات لإزالة التموج عالي التردد من مرحلة التحويل من التيار المتناوب إلى المباشر الأساسية، وحماية سلامة الإشارات عالية السرعة.
وبما أن المُحثّات تظهر في ما يكاد يكون كل مرحلة لتحويل الطاقة في خادم الذكاء الاصطناعي — بدءًا من الواجهة الأمامية لتحويل التيار المتناوب إلى المباشر على مستوى الرف، ووصولًا إلى خط التغذية الأساسي للمعالج الذي يكون جهده أقل من فولت واحد — فإن الخصائص الكهربائية والحرارية لهذه المُحثّات تؤثِّر تأثيرًا كبيرًا على كفاءة النظام العامة واستقراره وموثوقيته.
وبالمقارنة مع المُحثّات المستخدمة في الخوادم التقليدية، يجب أن تستوفي مُحثّات خوادم الذكاء الاصطناعي مجموعةً أكثر صرامةً وترابطًا من المتطلبات:
2.1 مقاومة تيار مستمر منخفضة (DCR) لتشغيل التيارات العالية. لقد ازداد استهلاك التيار الكهربائي لمُعجِّلات الذكاء الاصطناعي الحديثة ازديادًا حادًّا، ويجب أن تحمِل الملفات الحثية هذا التيار مع أدنى خسارة مقاومية ممكنة. وتنعكس قيمة المقاومة المباشرة العالية (DCR) مباشرةً في ارتفاع حرارة I²R؛ وإذا لم تُدار هذه الحرارة بكفاءة، فقد تتدهور المادة المغناطيسية أو تفشل الملف الحثي فجأةً، مما يعرّض استقرار خط الطاقة للخطر. ولذلك، يُعتبر التصميم منخفض المقاومة المباشرة (Low-DCR) معلَّمة أساسية في التصميم بدلًا من كونه ميزة إضافية.
2.2 التشغيل عالي التردد مع خسارة قلب منخفضة. غالبًا ما تُحدَّد مصادر طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي بكفاءة تحويل تقترب من ٩٩٪. ومع ارتفاع ترددات التبديل لتمرير طاقة أكبر عبر مساحة أصغر، تزداد خسائر القلب واللفائف بالتوازي ما لم تُحسَّن المادة المغناطيسية وهندسة الملف خصيصًا للتشغيل عالي التردد.
2.3 التقليص في الحجم دون المساس بالأداء. المساحة المتاحة على لوحة الدوائر داخل خادم الذكاء الاصطناعي محدودة جدًّا، ويجب تركيب مراحل الطاقة في أقرب مكان ممكن من المعالج لتقليل الحث المُتَبَعِي. وهذا يدفع مصمِّمي المحاثات نحو استخدام مواد مغناطيسية عالية الكثافة والتصنيع المصبوب بقطعة واحدة، مما يقلل من المساحة التي تحتلها المحاثة وارتفاعها مع الحفاظ على قدرتها على تحمُّل التيار — وهي عاملٌ بالغ الأهمية عند تركيبها على سطح اللوحة بكثافة عالية.
◾ موثوقية عالية مستمرة. تعمل خوادم الذكاء الاصطناعي بكفاءة عالية تقريبًا على مدار الساعة. ويجب أن تحافظ المحاثات المستخدمة في هذه البيئة على أداء كهربائي مستقر طوال عمر التشغيل الطويل، تحت إجهاد حراري وكهربائي متواصل.
◾ قمع قوي للتشويش الكهرومغناطيسي. توفر البنية المغناطيسية المدرَّعة حصرًا للتدفق المغناطيسي داخل المكوِّن نفسه، ما يقلل من التداخل الإشعاعي ويساعد النظام المحيط على الوفاء بمتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي — وهي اعتبارٌ يكتسب أهمية متزايدة مع ارتفاع كثافة الطاقة على مستوى لوحة الدوائر.
عند تضييق نطاق مُرشَّحي الملفات الحثية المرشَّحة لوحات خوادم الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء، يركِّز المهندسون عادةً على ثلاثة معاملات كهربائية رئيسية: التيار عند التشبع، المقاومة المباشرة (DCR)، والتيار المسبِّب لارتفاع درجة الحرارة، إلى جانب مجموعة أوسع من معايير الموثوقية والتشويش.
تُعرف أحمال وحدات معالجة الرسومات (GPU) بانقطاعها المفاجئ في الحمل؛ إذ يمكن أن تصل معدلات ارتفاع التيار (di/dt) أثناء قفزة الحمل إلى نحو ١٠٠ أمبير/مايكروثانية. وإذا تشبع لب الملف الحثي خلال مثل هذا الانقطاع المؤقت، فإن الحث يتراجع بشكل حاد، وقد تفقد حلقة التحكم في المحول تنظيمها، ما يهدِّد استقرار النظام. ولذلك، فإن هامش الأمان في التيار عند التشبع — وليس فقط التصنيف القياسي للتيار المستمر — يُعدُّ معيارًا حاسمًا في اختيار مراحل الطاقة لخوادم الذكاء الاصطناعي.
يُعَدُّ مقاومة التيار المستمر (DCR) العامل الرئيسي المُسبِّب لخسارة النحاس، وبالتالي يؤثِّر بشكل مباشر في كفاءة المحول ككل. وبسبب هذه العلاقة المباشرة مع الكفاءة، يفضِّل المهندسون على نحو متزايد الملفات الحثية المصنوعة بتقنية اللفّ بالأسلاك المسطحة بدلًا من التصنيع التقليدي بالأسلاك الدائرية؛ إذ يمكن لتلك التصاميم المسطحة أن تخفض مقاومة التيار المستمر بنسبة تفوق ٣٠٪ مقارنةً بالتصاميم الدائرية ذات المساحة السطحية المماثلة، ما ينعكس مباشرةً في خفض فقدان الطاقة وتحسُّن درجة حرارة التشغيل.
غالبًا ما تعمل خوادم الذكاء الاصطناعي تحت حملٍ عالٍ على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، لذا فإن هامش التحمُّل الحراري ليس اختياريًّا. ويجب أن يضمن الاختيار أن يكون تيار ارتفاع الحرارة المُحدَّد للمِلف الحثي أكبر من أقصى تيار تشغيلي مستمر للدائرة، مع الاحتفاظ بهامش تصميمي كافٍ لأسوأ الظروف الممكنة بالنسبة لدرجة حرارة الجو المحيط وتدفق الهواء.
لقد انتقلت ترددات التبديل في وحدات تنظيم الجهد (VRM) الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي من نحو ٣٠٠ كيلوهرتز في التصاميم القديمة إلى نطاق ١–٣ ميجاهرتز وما بعده. والنتيجة المباشرة لذلك هي انخفاض كبير في قيمة الحث المطلوبة، وبالتالي في الحجم الفيزيائي للمحث. ومع ذلك، وفي بيئة التي تتميز بتيارات كبيرة وكثافة طاقة عالية—والتي تُعتبر نموذجية لخوادم الذكاء الاصطناعي—يزيد ارتفاع تردد التبديل من خسارة التوصيلات المتغيرة (winding AC loss) وخسارة القلب (core loss) على حد سواء، لذا لا بد من دمج فائدة التردد الأعلى مع مادة مغناطيسية مُصمَّمة خصيصًا لتقليل الخسائر عند الترددات العالية.
وبعيدًا عن هذه المعايير الأربعة الرئيسية، يأخذ المهندسون في الاعتبار هيكل التغليف المغناطيسي، وبيانات الموثوقية على المدى الطويل، وكثافة القدرة القابلة للتحقيق ضمن مساحة محدودة، كجزء من تقييم شامل. وفي الواقع، يعتمد اختيار المحث المناسب على مواءمة ملف الحمل المحدد، وشدة التيار، وتردد التبديل، والبيئة الحرارية لكل خط تغذية كهربائية في خوادم الذكاء الاصطناعي مع منتج مُصمَّم خصيصًا لهذه المجموعة من العوامل.
تتطلب المراحل المختلفة في سلسلة توصيل الطاقة لخوادم الذكاء الاصطناعي تقنيات مختلفة لتصنيع المحاثات:
◾ ملفات طاقة ذات تيار عالٍ تُعتبر المحاثات التقليدية العمود الفقري لتوصيل الطاقة إلى وحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) وبطاقات التسارع، حيث تُركِّز على أداء قوي في تيار التشبع، والقدرة على التعامل المستمر مع التيارات العالية بأقل ارتفاع ممكن في درجة الحرارة، وخصائص فقدان مواتية عند الترددات العالية، ومواد مغناطيسية منخفضة الفقد مثل الفريت أو مسحوق السبائك المعدنية.
◾ خنق قوة الصب تدمج هذه المحاثات ملفها القلبي والقلب المغناطيسي بالكامل عبر عملية صب ضاغطة باستخدام مسحوق مغناطيسي، مما يقلل تسرب التدفق المغناطيسي ويحسّن سلوك تيار التشبع. وعادةً ما تؤدي هذه البنية إلى كثافة طاقة أعلى وقمع أقوى للتشويش الكهرومغناطيسي (EMI) مقارنةً بالمحاثات الملتفة التقليدية، ما يجعلها مناسبة جدًّا لمُحوِّلات التيار المستمر-المستمر (DC-DC) عالية القدرة ومسارات طاقة وحدات المعالجة المركزية/وحدات معالجة الرسومات حيث تكون المساحة المتاحة على اللوحة محدودة للغاية.
◾ محاثات TLVR (منظم الجهد بالمحاثة الانتقالية) يستخدم هيكل اللفتين المترابطتين لتبسيط تصميم المحول متعدد الطور وتقليل عدد المكونات على لوحة الدوائر المطبوعة. وللمسارات ذات الجهد المنخفض والتي تمرر تيارًا عاليًا وتنبّه بسرعة، وهي المسارات النموذجية لمُسرِّعات الذكاء الاصطناعي، يمكن لتصاميم TLVR أن تحسّن استجابة التغيرات المفاجئة وتقلل من اهتزاز الجهد عند الخرج مع خفض السعة المطلوبة للمكثفات عند الخرج — ما يوفّر تكلفة ومساحة ملموسة على مستوى النظام.
طوّرت كوداكا محفظة محاثاتها لتلبّي بدقة المتطلبات المذكورة أعلاه، حيث طوّرت مواد قلبية مغناطيسية مبتكرة مصنوعة من مسحوق سبيكي، وعمليات تصنيع مدمجة وقطعة واحدة، بهدف تلبية متطلبات الخوادم الخاصة بالذكاء الاصطناعي والمعدات الحاسوبية الذكية ذات الصلة، مثل التحميل العالي والتشبع العالي والتردد العالي مع فقدان منخفض ومساحة صغيرة جدًّا. ويوضّح سلسلتان كيف تُترجم هذه المبادئ التصميمية إلى مكونات فعلية تُستخدَم في دوائر تغذية الطاقة الخاصة بالذكاء الاصطناعي.
ال سلسلة CSBA مُبنَى على مادة قلب مغناطيسي من مسحوق سبيكة طوّرتها شركة كوداكا بنفسها، ويستهدف التطبيقات التي تكون فيها مساحة اللوحة وكفاءة التردد العالي ذات أهمية بالغة:
ال سلسلة CSBA قلب مغناطيسي خاص من مسحوق السبيكة ذي فقدان منخفض جدًّا في القلب، وخاصية تشبع ناعم للتيار لضمان أداءٍ مستقرٍ تحت الأحمال العابرة، وفقدان منخفض عند الترددات العالية، مما يجعله مناسبًا لحلول الطاقة القائمة على الغاليوم نيترايد (GaN). ومزيج انخفاض فقدان القلب مع الأداء القوي عند الترددات العالية يجعل سلسلة CSBA مناسبة عمليًّا لمُحوِّلات التيار المستمر-المتناوب (DC-DC) والمنظمات المتقطعة (Switching Regulators) العاملة عند الترددات المرتفعة المُعتادة في مراحل وحدات تنظيم الجهد (VRM) الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي الحديثة، بما في ذلك تصاميم الطاقة القائمة على الغاليوم نيترايد (GaN).
5.2 سلسلة CSHN صب القوة الخنق لمُعجِّلات الذكاء الاصطناعي
ال سلسلة CSHN مُثبَّت على شكل ملف طاقة (Molding Power Choke) مخصّص للدوائر ذات الجهد المنخفض جدًّا والتيار العالي، الموجودة أقرب ما يكون إلى رقائق معالجات الذكاء الاصطناعي. سلسلة CSHN يَتَراوَحُ مَدى التَّحَثّ مِن ٥٦ إلى ٨٢ نانوهنري، وَيَصِلُ إلى ما يُقارب ٠٫١٩ ملي أوم في أجزاء نموذجية. وبفضل قيمته الضئيلة جدًّا للتَّحَثّ، ومقاومته المباشرة المنخفضة جدًّا، وقدرته العالية على حمل التيّار ضمن مساحة مدمَّجة مصبوبة، فإن سلسلة CSHN تُوجَّه تحديدًا لتلبية متطلبات تصغير الحجم والتركيب عالي الكثافة لوحدات طاقة رقاقات الذكاء الاصطناعي، بينما يدعم مدى درجة حرارة التشغيل الموسع منها الأحمال الحرارية المستمرة المعتادة في معدات الحوسبة الذكية.
5.3 اختيار المحث المُناسب للتطبيق
وبالنسبة للمهندسين الذين يصمّمون خطوط الطاقة الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي، فإن الاستنتاج العملي هو أن اختيار المحث يجب أن يبدأ من الملف الكهربائي والحراري المحدَّد لخط الطاقة المعني بدلًا من البحث العام عن «محث عالي التيّار»:
◾في أماكن الهيكل أو اللوحة التي تكون فيها المساحة مقيَّدة بشدة، بينما تبقى متطلبات التيّار والتردد كبيرة، فإن عائلة محثات عالية التيّار ومدمَّجة—مثل سلسلة CSBA مرشح قوي.
◾للحصول على مسارات جهد منخفض جدًّا، وحث منخفض، وتيار كبير لتغذية شرائح الذكاء الاصطناعي مباشرةً—حيث يُعد تقليل المساحة والمقاومة المباشرة (DCR) أمرًا بالغ الأهمية—يُعد محث رقائق مُصبوب مثل الـ سلسلة CSHN أفضل ملاءمةً لمتطلبات التصميم.
◾أما بالنسبة لمسارات نواة وحدة معالجة الرسومات (GPU) متعددة المراحل وسريعة الاستجابة للانبعاثات، فقد يوفِّر محث قائم على تقنية الـ TLVR مزايا على مستوى النظام في استجابة الانبعاثات وعدد مكثفات الإخراج، وهي مزايا لا يمكن لأي محث ذي لفّة واحدة تقليدية أن تُنافسه فيها.
لقد اتجهت أنظمة توصيل الطاقة الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي بشكل حاسم نحو توزيع الجهد العالي، والتحويل الموزَّع عند نقطة التحميل، وتكرار التبديل بالميجاهرتز المتعدد— وكل ذلك تحت ظروف تشغيل مستمرة وباستخدام عالٍ جدًّا. ويؤدي هذا المزيج إلى فرض متطلبات متزامنة على المحاثات الكهربائية من حيث انخفاض المقاومة المباشرة (DCR)، وارتفاع تيار التشبع، وانخفاض الفقد عند الترددات العالية، وصغر الحجم، وقوة درع الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وموثوقية طويلة الأمد.
اختيار عائلة الملفات الحثية المناسبة، والنموذج المناسب داخل تلك العائلة، لكل خط طاقة لم يعد قراراً روتينياً في قائمة المواد (BOM)، بل أصبح أداة فعّالة لتحسين كفاءة تحويل الطاقة في خوادم الذكاء الاصطناعي واستقرار النظام الكلي. وتُظهر سلاسل المنتجات المصمَّمة خصيصاً لهذا الغرض، مثل سلسلتي CSBA وCSHN من شركة CODACA—إضافةً إلى تقنيات الملفات الحثية عالية التيار والمُغلفة وتقنية TLVR التي تمثِّلها—كيف يستجيب موردو المكونات المغناطيسية لهذه المتطلبات مع استمرار توسع حوسبة الذكاء الاصطناعي.
للاطلاع على المواصفات الكهربائية التفصيلية، والرسومات البيانية للأبعاد، وطلبات العيّنات، يُرجى زيارة الموقع الإلكتروني الرسمي لشركة CODACA ：https://www.codaca.com.cn/.
EN