تواصل تقنية الطاقة الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي التطور، مما يدفع الطلب على الحثّيات عالية الأداء

مع التطور السريع لتقنيات الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، تُعد خوادم الذكاء الاصطناعي، بوصفها أجهزة كثيفة الحوسبة، مسؤولة عن مهام حيوية في مجالات مثل الحوسبة السحابية والتعلم العميق والقيادة الذاتية والروبوتات الذكية. وتعتمد أداء واستقرار خوادم الذكاء الاصطناعي بشكل كبير على تصميم أنظمة الطاقة الخاصة بها. ومع استمرار ازدياد متطلبات القدرة الحاسوبية، أصبحت المعمليات التقليدية لتزويد الطاقة تواجه صعوبات تدريجياً في تلبية الاحتياجات المتعلقة بتوفير طاقة فعالة ومستقرة، مما أدى إلى ظهور تدريجي لمعماريات طاقة متقدمة، مثل إمداد الطاقة الموزعة بجهد 48 فولت، والتحويل المتعدد المرحلات من نوع Buck، والتحكم الرقمي، باعتبارها حلولاً رئيسية.

1- المعمليات الرئيسية لتزويد الطاقة في خوادم الذكاء الاصطناعي

1.1 المعمارية المركزية لتزويد الطاقة

تستخدم مصادر الطاقة المركزية التقليدية وحدة طاقة واحدة (PSU) لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر بجهد 12 فولت، ثم يتم توزيع هذا التيار على مختلف الأحمال من خلال اللوحة الأم. وتتميز هذه المصادر بتصميم ناضج ومنخفض التكلفة وسهولة في الإدارة الموحّدة. ولكن مع تزايد القدرة الحاسوبية للخوادم الذكاء الاصطناعي، أصبحت عيوبها واضحة: يؤدي المسار الطويل لنقل الجهد 12 فولت إلى زيادة كبيرة في خسائر التوصيل (I²R)؛ كما أن نطاق تنظيم الجهد محدود، مما يؤثر على سرعة الاستجابة الديناميكية؛ ويصعب عليها التعامل مع التغيرات الحادة في الحمل التي تحدث خلال جزء من النانوثانية في وحدات المعالجة المركزية/الرسومية؛ إضافة إلى ضعف الازدواجية في النظام، حيث قد يؤدي فشل وحدة طاقة واحدة إلى تعطل النظام بالكامل، ما يجعلها تفتقر إلى الموثوقية.

1.2 معمارية الطاقة الموزعة (DPA)

أصبحت معمارية الطاقة الموزعة الخيار المفضل للخوادم الكبيرة الخاصة بالذكاء الاصطناعي. ويتكون لب هذه المعمارية من استخدام مصدر طاقة وسيط بجهد 48 فولت. حيث تُخرِج وحدات إمداد الطاقة (PSUs) تيارًا مباشرًا بجهد 48 فولت، مستفيدةً من خصائص الجهد العالي والتيار المنخفض في نقل الطاقة، مما يقلل بشكل كبير من الفقد في الطاقة خلال مسارات التوزيع. قرب الأحمال الأساسية مثل وحدات المعالجة المركزية (CPUs) وبطاقات الرسوميات (GPUs)، يتم نشر محولات الطاقة عند نقطة الاستهلاك (POLs) لتحويل 48 فولت مباشرةً إلى الجهود المنخفضة المطلوبة (مثل 0.8 فولت - 1.8 فولت)، ما يحقق تزويدًا محليًا ودقيقًا بالطاقة، ويحسّن بشكل كبير سرعة الاستجابة العابرة ودقة تنظيم الجهد.

معمارية الطاقة الموزعة بجهد 48 فولت (مصدر الصورة: الإنترنت)

1.3 معمارية التحويل المتعدد الطور من النازل

إنه الحل التنفيذي المحدد لتشغيل POL للأحمال عالية القوة للغاية (مثل وحدات المعالجة المركزية/وحدات معالجة الرسوميات). من خلال تشغيل دوائر خفض متزامنة متعددة بشكل توازي لتزويد طاقة إلى معالج واحد، تشمل ميزاته: تقليل إجهاد التيار والخسائر الحرارية لكل طور بعد تقسيم التيار؛ وتقليل اهتزاز التيار الناتج بفعالية من خلال التشغيل المتداخل متعدد الطور، مما يقلل الاعتماد على المكثفات العازلة؛ بالإضافة إلى تفعيل/إيقاف عدد الطورات ديناميكيًا بناءً على استهلاك الطاقة للمعالج لتحسين الكفاءة في حالات الأحمال الخفيفة.

1.4 معمارية التحكم الرقمي بالطاقة

من خلال استبدال بعض الدوائر التناظرية بمعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) أو وحدات التحكم الدقيقة (MCUs)، يتحقق النظام من إدارة ذكية للطاقة. لا يتيح هذا فقط خوارزميات تحكم أكثر تعقيدًا ومرونة لتحسين الاستجابة الديناميكية والكفاءة في استهلاك الطاقة، بل يدعم أيضًا المراقبة الفورية، وتعديل المعاملات، والتنبؤ بالأعطال والإدارة عن بعد (مثلًا بناءً على بروتوكولات PMBus/I2C) من خلال البرمجيات. غالبًا ما تتبنى التصاميم المتقدمة نمطًا هجينًا يجمع بين الإدارة الرقمية والاستجابة السريعة التناظرية، لتحقيق توازن بين الذكاء والسرعة.

1.5 مصدر طاقة معياري

تُستخدم على نطاق واسع في خوادم الذكاء الاصطناعي على مستوى مراكز البيانات. تدعم وحدات الطاقة القياسية (مثل CRPS) الاستبدال الساخن، والتكرار N+1، والصيانة عبر الإنترنت، مما يضمن توافرًا عاليًا جدًا لعمليات الأعمال. وتتيح وظائفها الذكية التعديل الديناميكي لعدد الوحدات الممكّنة بناءً على ظروف الحمل، ويقلل من التشغيل غير الفعال عند الأحمال الخفيفة، ويعزز كفاءة استهلاك الطاقة في مراكز البيانات بشكل كبير.

2- التحديات التي تفرضها تطورات معمارية إمداد طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي على المحاثات

أدت الابتكارات في معمارية طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي إلى فرض متطلبات أداء أكثر صرامة على المحاثات، ما يدفع تكنولوجيا المحاثات لمجاراة التطورات في تصميم الدوائر الكهربائية. ويجب أن تلبي منتجات المحاثات المتطلبات التالية.

① مقاومة تيار مستمرة منخفضة: زادت المطالب الحالية الخاصة بخوادم الذكاء الاصطناعي عالية الأداء بشكل كبير، مما يتطلب من المحاثات امتلاك قدرة قوية على تحمل التيار وأداء ممتاز في إدارة الحرارة. وعندما تمر تيارات كبيرة عبر المحاثات، فإنها تولد حرارة. ويمكن أن يؤدي التبريد غير الكافي إلى تدهور الأداء أو حتى فشل المادة المحثية، ما يؤثر على استقرار مصدر الطاقة. ولذلك أصبح التصميم ذو مقاومة تيار مستمر منخفضة (DCR) معاملًا حاسمًا للمحاثات، حيث يقلل بشكل فعال من فقد الطاقة وارتفاع الحرارة، ما يمكن المحث من إظهار موثوقية متميزة في التطبيقات العالية التيار.

② عالية التردد، منخفضة الفقد: تتطلب مصادر طاقة الخوادم الحديثة للذكاء الاصطناعي كفاءة بنسبة 97٪ أو حتى 99٪، وتُعد محولات الحث مسؤولة عن جزء كبير من الفقد في النظام. ومع استمرار ارتفاع ترددات تحويل الطاقة، يجب أن توازن المحاثات بين الأداء عالي التردد والكفاءة العالية، مع تقليل خسائر التيارات الدوامية والخسائر الناتجة عن الهستيريسيس. وتحتاج الخسائر المتزايدة الناتجة عن التيارات عالية التردد إلى تحسين مستمر لمواد وهياكل المحاثات لتلبية متطلبات نطاق واسع من الترددات وكفاءة عالية.

③ التصميم المصغر والرفيع: تتمتع خوادم الذكاء الاصطناعي بمساحة داخلية محدودة، مما يتطلب تقليلًا إضافيًا في حجم المحاثات مع الحفاظ على الأداء. إن التصغير والتصميم الرقيق يُعدان من الاتجاهات المستقبلية في تطوير المحاثات. من خلال استخدام مواد قلب مغناطيسي كثيفة وتقنيات تشكيل صب متقدمة، يمكن جعل المحاثات أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مما يسهل التركيب عالي الكثافة ويوفّر بشكل فعّال المساحة القيّمة على اللوحة الدوائر المطبوعة (PCB). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن توازن هذه التصاميم بين القوة الميكانيكية والأداء الحراري لمنع تدهور الأداء في البيئات المعقدة.

④ موثوقية عالية: عادةً ما تعمل خوادم الذكاء الاصطناعي ضمن نطاقات حرارية واسعة وظروف حمل مستمرة طويلة الأمد. ويُطلب من المحاثات أن تمتلك قدرة جيدة على التكيّف مع درجات الحرارة واستقرارًا موثوقًا، بحيث تكون قادرة على مقاومة تأثيرات درجات الحرارة العالية والتغيرات البيئية بفعالية، لضمان استمرارية تشغيل المعدات واستقرارها.

⑤ أداء التداخل الكهرومغناطيسي: يمكن لهيكل الحماية المغناطيسية أن يكبح بشكل فعال الأضرار الناتجة عن التداخل الكهرومغناطيسي على المكونات أو خطوط الإشارة القريبة، مما يضمن معالجة الخوادم الدقيقة للإشارات الضعيفة. كما يمكن للمحثّات ذات الأداء العالي ضد التداخل الكهرومغناطيسي تقليل التلوث البيئي الكهرومغناطيسي وتعزيز قدرة النظام الشاملة على مقاومة التدخلات.

⑥ تصميم منخفض الضوضاء: مع تزايد المطالب بالتحكم في ضوضاء الخوادم، أصبح صوت الطنين الصادر عن المحثّات أيضًا محط اهتمام. إن الضوضاء الطنينية الناتجة عن اهتزاز المحث نفسه تؤثر على بيئة مركز البيانات وتجربة المستخدم. وخصوصًا في غرف خوادم مراكز بيانات السحابة الكبيرة، لا يمكن إغفال أهمية التصميم المنخفض للضوضاء. وتُعد تقنية المحث المصبوب وتعديل تردد الرنين حلولًا فعالة للحد من الضوضاء الطنينية، ما يحسن بشكل كبير من قدرة مصادر طاقة الخوادم على التكيّف مع البيئة.

باختصار، تواجه المحاثات تحديات متعددة في أنظمة طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك التيار العالي، الحجم الصغير، التردد العالي، مقاومة التداخل القوية، التكيف الواسع مع درجات الحرارة، والضوضاء المنخفضة. ولتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات ضمن الاتجاهات الجديدة، من الضروري تحقيق تقدم مستمر من خلال ابتكار المواد، وتحسين الهيكل، وترقية العمليات.

3- توصيات التطبيق والاختيار للمحاثات في مصادر طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي

تؤدي المحاثات في مصادر طاقة خوادم الذكاء الاصطناعي وظائف متعددة مثل التصفية، والتحث، واستقرار الجهد والتيار، وقمع الضوضاء. وبالنظر إلى متطلبات الأداء العالي والموثوقية العالية لخوادم الذكاء الاصطناعي ضمن الاتجاهات الجديدة، فإن اختيار المحث المناسب أمر بالغ الأهمية. كوداكا قد ركزت على حلول الحث الكهربائي عالية الموثوقية، وطرحت عدة منتجات حث كهربائي عالية الأداء مخصصة لخوادم الذكاء الاصطناعي والأجهزة الذكية المرتبطة بها، وتغطي فئات مختلفة مثل الحث الكهربائي للطاقة ذو التيار الفائق العالي، والحث الكهربائي للطاقة المصغر عالي التيار، والحث الكهربائي المصبوب عالي التيار ذي الحث المنخفض.

من بينها، سلسلة المكثف الكهربائي عالي التيار CSBA تعتمد هذه المنتجات على مادة قلب مغناطيسي من مسحوق مغناطيسي طورته شركة Codaca ذاتياً، وتتميز بفقدان داخلي منخفض للغاية، وخصائص تشبّع ناعم ممتازة، وخصائص منخفضة الفقد عند الترددات العالية. ويتيح تصميمها الرفيع توفير مساحة التركيب، مما يجعلها مناسبة لمتطلبات التركيب الكثيف. وبنطاق حرارة تشغيل يتراوح بين -55℃ إلى +170℃، يمكنها التكيّف مع بيئات العمل ذات درجات الحرارة العالية. وتلبي سلسلة CSBA من الحث الكهربائي متطلبات الأداء الخاصة بمصادر الطاقة GaN بالنسبة للحث الكهربائي عالي التردد ومنخفض الفقد، وكثافة الطاقة العالية، ونطاق درجات الحرارة الواسع، وتُستخدم على نطاق واسع في وحدات أساسية مثل محولات DC-DC والمنظمات التبديلية.

ال المحثات المقولبة من سلسلة CSHN ، المصممة خصيصًا لتطبيقات الذكاء الاصطناعي، تعتمد هيكلًا مقولبًا مع ضجيج منخفض جدًا. وتتميز بمحاثة منخفضة جدًا، ومقاومة تيار مستمر منخفضة للغاية، وخصائص اشباع لينة ممتازة، وقدرة عالية على حمل التيار. وتستخدم المنتجات تصميمًا رفيعًا لتلبية متطلبات التصغير والتعبئة الكثيفة للشرائح الخاصة بالذكاء الاصطناعي ووحدات الطاقة. ومدى درجة حرارة التشغيل هو من -40℃ إلى +125℃، ما يلبي المتطلبات الصارمة للأجهزة الحاسوبية الذكية.

عند اختيار المكونات، يحتاج المهندسون إلى أخذ خصائص الحمل والتيار والحجم وتردد التشغيل وظروف التبريد للخادم الخاص بالذكاء الاصطناعي بعين الاعتبار لاختيار نموذج المحث الأنسب. على سبيل المثال، في هياكل الخوادم المدمجة ذات المساحة المحدودة، فإن سلسلة CSBA من محثات الطاقة عالية التيار والمدمجة ستكون خيارًا مثاليًا. ولتلبية متطلبات تطبيقات الذكاء الاصطناعي من حيث انخفاض المحاثة وارتفاع التيار وصغر الحجم، فإن سلسلة المحث المقولب للذكاء الاصطناعي CSHN يمكن تحديدها. يمكن أن يزيد المطابقة السليمة لمنتجات الحث عالية الأداء من كفاءة تحويل الطاقة واستقرار النظام في خوادم الذكاء الاصطناعي.