في الوقت الحالي، أدى التسارع في تنفيذ تطبيقات الذكاء الاصطناعي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة، مما دفع مباشرةً إلى ارتفاع الطلب على طاقة مراكز البيانات. وفقًا لبيانات الوكالة الدولية للطاقة لعام 2023، يُشكل استهلاك الطاقة العالمي لمراكز البيانات الآن أكثر من 3٪ من استهلاك الكهرباء العالمي، وتجاوز الاستهلاك الأقصى للطاقة لخادم واحد مزود بمعالج A100 أكثر من 10 كيلوواط. إن الزيادة الكبيرة في استهلاك الطاقة في مراكز البيانات قد فرضت تحديات جديدة على جودة وكمية إمدادات الطاقة. وبما أن المحاثات تُعد أحد المكونات المهمة في دوائر طاقة مراكز البيانات، فإن اختيارها له أهمية بالغة بالنسبة لكفاءة التحويل واستقرار وموثوقية أنظمة طاقة مراكز البيانات.
1- فئات إمدادات الطاقة في مراكز البيانات واتجاهات التطوير
تشمل طاقة مركز البيانات بشكل رئيسي مصادر طاقة الخوادم، ومصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS)، ومصادر طاقة التيار المستمر عالية الجهد، والمصادر الموزعة للطاقة/مصادر الطاقة الوحداتية، إلخ.
1.1 مصدر طاقة الخادم
في خوادم الذكاء الاصطناعي، تضع وحدات معالجة الرسوميات (GPU) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) وشرائح التسارع الخاصة بالذكاء الاصطناعي متطلبات عالية جدًا لاستقرار وكفاءة مصدر الطاقة. وعادةً ما تستخدم الخوادم محولات DC-DC فعّالة لتوفير خرج مستقر للجهد الكهربائي، وتُعد المحاثات مكونات رئيسية لا غنى عنها في هذه المحولات DC-DC.
مع زيادة ميزانيات طاقة الخوادم في حين يبقى الحجم ثابتًا، ستزداد متطلبات كثافة الطاقة صرامةً أكثر. وقد ارتفعت وحدات مصادر الطاقة الجديدة للخوادم (PSUs) إلى ما يقارب 100 واط/بوصة مكعبة. وفي المستقبل، ستمضي طاقة الخوادم نحو كثافة طاقة أعلى، وكفاءة تحويل أكبر، وإدارة أكثر ذكاءً لتلبية الطلب المتزايد على القدرة الحاسوبية. وتحسين كفاءة المحولات من خلال تطور التصميمات الطوبولوجية وتكنولوجيا المكونات هو الحل لتحقيق كثافة طاقة عالية.
مصدر طاقة 1.2 UPS
تلعب مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS) دورًا حيويًا في ضمان استمرارية التزويد بالطاقة لمراكز البيانات. وعند حدوث انقطاع في التيار الكهربائي أو تقلبات في الجهد الكهربائي للمدينة، يمكن لجهاز UPS التحول فورًا إلى وضع الطاقة بالبطارية (تغذية كهربائية مستمرة)، مما يضمن استمرار تشغيل المعدات الحرجة في مركز البيانات (مثل الخوادم، وأجهزة التخزين، والأجهزة الشبكية، إلخ) دون تأثر.
مصدر طاقة تيار مستمر عالي الجهد 1.3
توفر أنظمة إمداد الطاقة بتيار مستمر عالي الجهد (HVDC) وفورات كبيرة في استهلاك الطاقة في تطبيقات مثل مراكز البيانات. وبما أن نظام HVDC يُلغي مرحلة المحول المستخدم في أنظمة UPS التقليدية (مصدر طاقة غير منقطع)، يمكن أن تصل كفاءة التحويل إلى أكثر من 95%، مما يقلل بشكل فعّال من استهلاك الطاقة في مراكز البيانات. ووفقًا للبيانات ذات الصلة، فإن كفاءة إمداد الطاقة بواسطة HVDC تفوق كفاءة حلول UPS التقليدية بنسبة أكثر من 5%. علاوةً على ذلك، وبما أن نظام HVDC لا يحتوي على محول، فإن متوسط الوقت بين الأعطال (MTBF) يكون أعلى بنسبة تزيد عن 30% مقارنةً بأنظمة UPS. ومع استمرار مراكز البيانات في المطالبة بكفاءة طاقوية أعلى، وتقليل الانبعاثات، وموثوقية أكبر، فإن الطلب على أسواق إمدادات الطاقة HVDC سيستمر في النمو.
1.4 مصدر طاقة تيار مستمر معياري/موزع
لحل التحديات الأساسية لمراكز البيانات من حيث الموثوقية العالية، والقابلية المرنة للتوسع، وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة، وكفاءة التشغيل في أنظمة الطاقة، تعتمد خوادم مراكز البيانات أيضًا على أنظمة طاقة موزعة ذات تصميم وحداتي. لا تتيح مصادر الطاقة الوحداتية فقط التكيف الديناميكي مع متطلبات القدرة الحاسوبية، بل تحقق عزل الأعطال من خلال هياكل احتياطية، مما يعزز موثوقية النظام. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها تعديل عدد الوحدات المتصلة بالشبكة ديناميكيًا بناءً على الحمل الفعلي لتحسين الكفاءة التشغيلية.
مخطط تخطيطي لتطبيق مركز البيانات
2- متطلبات المحث في أنظمة طاقة مراكز البيانات
في أنظمة طاقة مراكز البيانات، تُعد المحاثات مكونات أساسية ذات أدوار مهمة. وباستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، تمنع تقلبات التيار، وتحسّن استقرار الخرج الكهربائي، وتؤدي دورًا حيويًا في عمليات تحويل الطاقة، مما يؤثر على كفاءة الطاقة واستقرار النظام الكهربائي. وتختلف متطلبات الدوائر الكهربائية المختلفة بالنسبة للمحاثات.
تُستخدم المحاثات في أنظمة التيار المتردد بشكل أساسي في دوائر تصحيح معامل القدرة (PFC) وفي تصفية التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). يجب أن تكون المحاثات المستخدمة في تصحيح معامل القدرة قادرة على تحمل التيارات العابرة عند الترددات العالية (عشرات كيلوهرتز إلى ميغاهرتز) لمنع اشباع القلب المغناطيسي. وتستخدم هذه المحاثات مواد لب مركبة معدنية، والتي تتميز بخصائص كهربائية مثل تيار الاشباع العالي، وفقدان منخفض في اللب، واستقرار عالي عند درجات الحرارة المرتفعة. أما المحاثات المستخدمة في تصفية التداخل الكهرومغناطيسي، فيجب أن تكون ذات قدرة عالية على كبت الضوضاء عالية التردد، حيث يجب على المحاثات الشائعة النمط (Common-mode) كبت الضوضاء في نطاق الميغاهرتز، مع اعتماد تصميم منخفض التسريب المغناطيسي لتقليل التداخل مع الدوائر الحساسة.
يشمل نظام التيار المستمر سيناريوهين: الأول هو نظام التيار المستمر عالي الجهد (HVDC)، حيث تكون الجهدية النموذجية 240 فولت في السياق المحلي الحالي. والثاني هو تزويد التيار المستمر الموزع (مثل التغذية المباشرة بجهد 48 فولت). يتطلب التيار المستمر عالي الجهد أن تكون الحثيات ذات خصائص تردد عالٍ، مع ترددات تبديل تصل إلى مستوى الميغاهيرتز، ويتم استخدام قلوب مغناطيسية منخفضة الفقد لدعم تحويل DC-DC بكفاءة. ويلزم تصميم الحثيات بحيث تتحمل العزل ضد الجهد العالي لتجنب خطر الانهيار الكهربائي الناتج عن الجهد العالي. كما يجب أن تكون الحثيات قادرة على حمل تيارات عالية والحفاظ على ارتفاع طفيف في درجة الحرارة في ظل ظروف العمل المستمرة بالتيار العالي. وفي الوقت نفسه، يجب أن تستوفي الحثيات متطلبات انخفاض السعة التسريبية لتقليل مشكلات الرنين عند الترددات العالية. أما بالنسبة للتيار المستمر الموزع، فيُشترط أن تكون الحثيات صغيرة الحجم، ذات كثافة طاقة عالية، ومقاومة تيار مستمر منخفضة (DCR) لتقليل الفاقد الكلي.
تُستخدم المحاثات في أنظمة التغذية الكهربائية غير المنقطعة (UPS) بشكل أساسي في دوائر تصفية مخرج العاكس وإدارة شحن/تفريغ البطارية. وتتطلب عملية تصفية مخرج العاكس محاثات بتصميم مدمج وكثافة طاقة عالية، تكون قادرة على التعامل مع تيارات تزيد عن 100 ألمبير في مساحة محدودة، مع الوفاء بمتطلبات التشويه التوافقي المنخفض. ويمكن تحسين تأثير التصفية من خلال استخدام قلوب الفيريت جنبًا إلى جنب مع تصاميم لف متعددة الطبقات. كما يجب أن تكون المحاثات المستخدمة في مصادر طاقة UPS قادرة على تحمل التيارات النبضية، وأن تتميز بخصائص مقاومة الشبع أثناء الشحن/التفريغ العابر للبطارية؛ وبالتالي، فإن الأنظمة تتطلب محاثات مدمجة ذات تيار تشبع عالٍ.
تتطلب الأنظمة الكهربائية الوحداتية والموزعة وجود محثات لتلبية متطلبات التصميم القياسية والقابلة للاستبدال السريع (hot-swap)، مع معايير محث صارمة ومتسقة، قادرة على التكيف مع تبديد الحرارة في المساحات المغلقة، وبنطاق حرارة تشغيل يتمدد من -40°م إلى +125°م. وبالإضافة إلى المحثات التقليدية عالية التيار والمحثات التكاملية، يمكن استخدام تقنية TLVR لتعزيز قدرة استجابة المحث للحالات العابرة.
هندسة طاقة مركز البيانات والخصائص التقنية (استنادًا إلى بيانات عبر الإنترنت)
3- اتجاهات طلب المحثات في مراكز البيانات
مع الاتجاه نحو زيادة القدرة الحاسوبية وكثافة الطاقة والترددات الأعلى ودرجة أكبر من التكامل في معدات مراكز البيانات، تُظهر المحثات الاتجاهات التالية في التطور:
① كثافة طاقة عالية. يزيد تزايد قوة الأجهزة الحاسوبية لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي من أهمية المحاثات. يجب أن تكون المحاثات قادرة على التعامل مع طاقة أكبر ضمن المساحة المحدودة لمعدات إمداد الطاقة في الخوادم، ويجب أن توفر أيضًا مقاومة محسّنة للحرارة العالية.
② التردد العالي والخسائر المنخفضة. تستخدم وحدات إمداد طاقة مراكز البيانات بشكل متزايد أجهزة شبه موصلة ذات فجوة نطاق عريضة مثل GaN وSiC. وتُطلب من المحاثات دعم هذه الأجهزة عالية التردد مع تقليل خسائر القلب المغناطيسي وتحسين كفاءة تحويل النظام.
③ التصغير والدمج. في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، يتم دمج وحدات حوسبة أكثر باستمرار داخل مساحة محدودة في الخوادم وبطاقات التسارع الخاصة بالذكاء الاصطناعي، مما يستدعي تصغير المكونات بما في ذلك المحاثات. وهذا يتطلب تقليل الحجم وزيادة كثافة القدرة معًا.
④ الموثوقية العالية. تعمل أنظمة الطاقة في مراكز البيانات باستمرار، ولا يُسمح بانقطاع التيار الكهربائي أو توقف التشغيل. بالإضافة إلى اعتماد تصاميم زائدة عن الحاجة ومحطات طاقة احتياطية، فإن موثوقية المكونات واستقرارها الحراري تكون عالية جدًا، ويجب أن تتمتع المحاثات المختارة أيضًا بموثوقية عالية.
4-كوداكا تساعد المحاثات في تحسين كفاءة إمداد الطاقة في مراكز البيانات
بصفتها موردًا رائدًا في مجال تقنية المكونات المغناطيسية، تتخصص شركة Codaca في تخصيص حلول منتجات المحاثات. وتُستخدم المحاثات التي طورتها Codaca بشكل مستقل على نطاق واسع في خوادم الذكاء الاصطناعي ومصادر طاقة مراكز البيانات والمعدات الاتصالية.
للبلاة باحتياجات الأداء العالي لمكونات البيانات الإلكترونية في مزودات طاقة مراكز البيانات، طورت شركة كوداكا بشكل مستقل مجموعة متنوعة من خطوط المنتجات، بما في ذلك المحاثات عالية التشبع والتيار العالي، والمحاثات المُصهورة المتكاملة خفيفة الوزن ومنخفضة الفقد، ومحاثات الطاقة المركبة السطحية المناسبة للتركيب عالي الكثافة، ومحاثات الطاقة منخفضة الحث، والمحاثات العالية التردد والتيار العالي. تقدم محاثات كوداكا تيار اشباع يصل إلى 350 أمبير، وكفاءة تحويل طاقة تصل إلى 98٪، ودرجة حرارة تشغيل تصل إلى 165°م. هذه المنتجات معتمدة حسب معيار AEC-Q200 وهي مناسبة للاستخدام في البيئات التشغيلية القاسية والمعقدة.
بالاعتماد على قدرات تصميم متخصصة في المحاثات وقدرات قوية في التصنيع واختبار المنتجات، توفر كوداكا مجموعة واسعة من المحاثات منخفضة الفقد وعالية الكفاءة وعالية الموثوقية لمزودات طاقة الخوادم، ومزودات طاقة UPS، وغيرها، مما يساعد على تحسين الكفاءة الشاملة لمزودات طاقة مراكز البيانات.
تُوصى النماذج التالية من المحاثات لأنظمة طاقة مراكز البيانات:
محثو الطاقة عالية التيار من Codaca مثل سي بي إكس /سي بي إي إيه /سي إس بي إيه /سي إس بي إكس /سي إس سي إف /سي إس سي إم /سي إس سي إي ، والتي تتميز بتيار اشباع عالٍ، ومقاومة تيار مستمر منخفضة، ومدى واسع في تردد التطبيق، ومدى تشغيل واسع للحرارة، تستوفي متطلبات أنظمة طاقة مراكز البيانات من حيث التيار التشغيلي العالي، والخسارة المنخفضة عند الترددات العالية، وكثافة القدرة العالية.
محولات الطاقة المُشكلة مثل سي إس إيه بي /سي إس إيه جي /سي إتش بي /سي إس إي بي ، ذات البنية المصبوبة الكاملة المصفوفة، والأداء القوي ضد التداخل الكهرومغناطيسي، ومقاومة تيار مستمر منخفضة، والتيار العالي، وخسائر قلب منخفضة، تلبي متطلبات أنظمة طاقة مراكز البيانات من حيث الحجم الصغير للمحث، والتيار العالي، وأداء مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي.
محثو الطاقة المثبتة على السطح مثل إس بي آر إتش /CSUS /سي آر إتش إس إم /إس بي كيو /إس بي دي /إس بي بي إل ، والتي تتميز بهيكل درع مغناطيسي، وأداء قوي ضد التداخل الكهرومغناطيسي، وحجم صغير، ومناسبة للتركيب عالي الكثافة.
سلسلة CSHN لمحثو الطاقة ذات الحث المنخفض تم تصميمها لتزويد وحدة معالجة الرسوميات (GPU) بالطاقة. يتميز محث CSHN، الذي تم تطويره بشكل مستقل من قبل كوداكا خصيصًا لإمدادات طاقة الخوادم، بهيكل مدرع بالكامل، ومقاومة قوية للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وقدرة ممتازة على التحيز المستمر (DC bias). تم تصميم سلسلتنا من المحاثات العالية التردد والتيار العالي خصيصًا للتطبيقات التي تتطلب تيارًا كهربائيًا عاليًا، وتوفر تخزينًا عاليًا للطاقة، ومقاومة تيار مستمر منخفضة جدًا، وحجمًا صغيرًا، مما يجعلها مناسبة لوحدات تنظيم الجهد (VRMs) والمنظمات المتعددة الطور من نوع Buck.
بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم محاثات كوداكا على نطاق واسع في مفاتيح مراكز البيانات، وأجهزة التوجيه، وأنظمة التخزين، وأنظمة المراقبة، بما في ذلك محاثات التيار العالي، والمحاثات التامة، ومحاثات الوضع المشترك/المثبتة على السطح، وغيرها، ويمكن تخصيص جميعها بمرن حسب احتياجات العملاء. لمزيد من التفاصيل، يرجى التواصل مع مبيعات كوداكا أو زيارة الموقع الإلكتروني لكوداكا.
EN