V současné době vedlo urychlené nasazování aplikací umělé inteligence k významnému nárůstu spotřeby energie, což přímo zvyšuje poptávku po elektrické energii pro datová centra. Podle údajů Mezinárodní agentury pro energii z roku 2023 spotřeba energie globálních datových center nyní představuje více než 3 % celkové světové spotřeby elektřiny a špičková spotřeba jednoho serveru s GPU A100 již přesáhla 10 kW. Výrazný nárůst spotřeby elektrické energie datovými centry přináší nové výzvy jak pro kvalitu, tak pro kvantitu dodávek elektrické energie. Jako jeden z důležitých prvků ve výkonových obvodech datových center je výběr tlumivek rozhodující pro účinnost převodu a provozní stabilitu a spolehlivost napájecích systémů datových center.
1 – Kategorie napájení datových center a vývojové trendy
Napájení datových center zahrnuje zejména napájecí zdroje pro servery, nepřerušované zdroje napájení (UPS), napájení vysokým napětím stejnosměrným proudem (HVDC), distribuované napájení / modulární napájecí zdroje atd.
1.1 Napájení serveru
U AI serverů mají GPU, CPU a čipy pro urychlení AI extrémně vysoké požadavky na stabilitu a účinnost napájení. Servery obvykle využívají efektivní DC-DC měniče, které poskytují stabilní výstupní napětí, přičemž cívky jsou nepostradatelnými klíčovými komponenty těchto měničů.
S rostoucím energetickým rozpočtem serverů při zachování konstantního objemu budou požadavky na výkonovou hustotu ještě přísnější. Nově vyvinuté zdroje (PSU) dosahují téměř 100 W/in³. Budoucí vývoj napájení serverů půjde směrem k vyšší výkonové hustotě, vyšší účinnosti převodu a chytřejšímu řízení, aby byl pokryt rostoucí požadavek na výpočetní výkon. Zvyšování účinnosti měničů prostřednictvím vývoje topologie a technologie součástek je klíčem k dosažení vyšší výkonové hustoty.
1.2 Napájení UPS
UPS záložní zdroje hrají klíčovou roli při zajištění nepřetržitého napájení datových center. Při výpadku elektrické energie nebo kolísání napětí v síti může UPS okamžitě přejít do režimu bateriového napájení (bezproblémové napájení), čímž zajistí, že kritická zařízení v datovém centru (např. servery, úložná zařízení, síťová zařízení atd.) nebudou ovlivněna.
1.3 Zdroj stejnosměrného vysokého napětí
Systémy napájení HVDC (stejnosměrný proud vysokého napětí) přinášejí významné úspory energie v aplikacích, jako jsou datová centra. Protože HVDC eliminuje měničovou etapu tradičních UPS (záložních zdrojů), může být účinnost převodu vyšší než 95 %, čímž se efektivně snižuje spotřeba energie v datových centrech. Podle příslušných údajů je účinnost napájení HVDC o více než 5 % vyšší než u tradičních řešení s UPS. Navíc, protože HVDC nemá měnič, jeho střední doba mezi poruchami (MTBF) je o více než 30 % vyšší než u UPS. Vzhledem k rostoucím požadavkům datových center na vyšší energetickou účinnost, snižování emisí a spolehlivost bude trh s napájecími zdroji HVDC nadále růst.
1.4 Modulární/Distribuované DC napájení
Aby byly vyřešeny klíčové výzvy datových center z hlediska vysoké spolehlivosti, flexibilní škálovatelnosti, optimalizace energetické účinnosti a provozní efektivity napájecích systémů, používají servery v datových centrech také modulárně navržené distribuované napájecí systémy. Modulární zdroje nejen dynamicky reagují na požadavky výpočetního výkonu, ale díky redundantní architektuře také umožňují izolaci poruch, čímž zvyšují spolehlivost systému. Kromě toho mohou dynamicky upravovat počet online modulů na základě skutečné zátěže, čímž zvyšují provozní efektivitu.
Schéma aplikace pro datová centra
2 - Požadavky na cívky pro napájecí systémy datových center
Ve výkonových systémech datových center slouží cívky jako základní součástky s významnou funkcí. Využitím principu elektromagnetické indukce brání kolísání proudu, stabilizují výstupní proud a hrají klíčovou roli v procesech přeměny energie, čímž ovlivňují energetickou účinnost a stabilitu napájecího systému. Různé výkonové obvody mají různé požadavky na cívky.
V systémech střídavého proudu se cívky primárně používají v obvodech pro korekci účiníku (PFC) a pro filtrování elektromagnetických rušení (EMI). Cívky pro korekci účiníku musí odolávat přechodným proudům při vysokých frekvencích (desítky kHz až MHz), aby nedošlo k nasycení jádra. Tyto cívky využívají kompozitní materiály jader z kovu, které vykazují elektrické vlastnosti, jako je vysoký proud nasycení, nízké ztráty v jádře a vysoká teplotní stabilita. Cívky používané pro filtrování EMI musí mít schopnost potlačovat šum ve vysokých frekvencích; common-mode cívky musí potlačovat rušení v pásmu MHz a zároveň využívat návrh s nízkým únikem magnetického pole, aby minimalizovaly interference se citlivými obvody.
Systém stejnosměrného proudu zahrnuje dva scénáře: prvním je systém HVDC (vysoké napětí stejnosměrného proudu) s typickým napětím 240 V v současném domácím prostředí. Druhým je rozložený systém stejnosměrného proudu (například přímé napájení 48 V). Vysoké napětí stejnosměrného proudu vyžaduje cívky s vysokofrekvenčními vlastnostmi, kdy spínací frekvence dosahují úrovně MHz, a používají se nízkoztrátové magnetické jádra pro podporu efektivní DC-DC konverze. Cívky musí být navrženy pro izolaci vysokého napětí, aby se předešlo riziku průrazu vysokým napětím. Cívky musí mít schopnost vést velké proudy a udržet nízké zvýšení teploty za nepřetržitých podmínek práce s vysokým proudem. Současně musí cívky splňovat požadavek na nízkou parazitní kapacitu, aby se snížily problémy s vysokofrekvenční resonancí. U rozloženého napájení stejnosměrným proudem jsou na cívky kladeny požadavky na malé rozměry, vysokou hustotu výkonu a nízký DCR, aby se snížily celkové ztráty.
Cívky v UPS systémech se primárně používají pro filtraci výstupu měniče a obvody řízení nabíjení/vybíjení baterií. Pro filtraci výstupu měniče je nutné, aby cívky měly kompaktní konstrukci s vysokou hustotou výkonu, byly schopny zvládnout proudy vyšší než 100 A v omezeném prostoru a splňovaly požadavky na nízké harmonické zkreslení. Filtrační účinek lze optimalizovat použitím feritových jader v kombinaci s vícevrstvými vinutími. Cívky používané v napájecích zdrojích UPS musí také odolávat pulzním proudům a vykazovat vlastnosti odolnosti proti nasycení během přechodných stavů nabíjení/vybíjení baterie, proto jsou pro systémy UPS vyžadovány kompaktní cívky s vysokým nasycovacím proudem.
Modulární a distribuované napájecí systémy vyžadují tlumivky, které splňují standardizované požadavky konstrukce s horkou výměnou (hot-swap), mají přísně konzistentní parametry tlumivek, jsou schopny se přizpůsobit odvodu tepla v uzavřených prostorech a pracovní teplotní rozsah je rozšířen na -40 °C až +125 °C. Kromě tradičních tlumivek pro vysoké proudy a celočíselných tlumivek může použití technologie TLVR zlepšit přechodovou odezvu tlumivek.
Architektura napájení datových center a technické charakteristiky (na základě online dat)
3- Trendy poptávky po tlumivkách pro napájení datových center
S trendem směrem k vyšším výpočetním výkonům, vyšší hustotě výkonu, vyšším frekvencím a větší integraci zařízení v datových centrech se u tlumivek objevují následující vývojové trendy:
① Vysoká hustota výkonu. Rostoucí výkon výpočetního hardwaru datových center pro umělou inteligenci zvyšuje nároky na cívky. Ty musí být schopny zvládnout vyšší výkon v omezeném prostoru napájecích zdrojů serverů a zároveň musí nabízet lepší odolnost proti vysokým teplotám.
② Vysoká frekvence a nízké ztráty. Napájecí zdroje datových center stále častěji využívají polovodičová zařízení s širokou zakázanou energetickou mezerou, jako jsou GaN a SiC. Cívky musí podporovat tato vysokofrekvenční zařízení, současně snižovat ztráty jádra a zvyšovat účinnost přeměny systému.
③ Miniaturizace a integrace. V datových centrech pro umělou inteligenci se do omezeného prostoru stále více integruje více výpočetních jednotek jak ve serverech, tak na kartách AI akcelerátorů, což vyžaduje miniaturizaci komponent, včetně cívek. To znamená požadavek na menší rozměry i vyšší výkonovou hustotu.
④ Vysoká spolehlivost. Datová centra provozují elektrické systémy nepřetržitě a výpadky nebo odstávky napájení nejsou tolerovány. Kromě použití redundantních konstrukcí a záložních zdrojů je vyžadována extrémně vysoká spolehlivost a teplotní stabilita komponent, a proto musí vybrané cívky rovněž splňovat vysoké požadavky na spolehlivost.
4-Codaca Cívky přispívají ke zvýšení účinnosti napájení datových center
Jako přední dodavatel technologie magnetických komponent se Codaca specializuje na poskytování přizpůsobených řešení cívek. Samostatně vyvinuté cívky od Codaca jsou široce využívány v AI serverech, napájecích zdrojích pro datová centra a komunikačním zařízení.
Pro splnění náročných požadavků na výkon elektronických komponent v napájecích zdrojích datových center vyvinula společnost Codaca nezávisle řadu výrobkových linek, včetně vysokonasycených a vysokoproudých cívek, nízkoztrátových, lehkých a integrovaných litých cívek, povrchově montovaných výkonových cívek vhodných pro vysokou hustotu montáže, nízkou indukčnost výkonových cívek a vysokofrekvenčních, vysokoproudých cívek. Cívky Codaca nabízejí nasycovací proud až 350 A, účinnost přeměny energie až 98 % a provozní teplotu až 165 °C. Tyto produkty jsou certifikovány podle AEC-Q200 a jsou vhodné pro použití v náročných a komplexních provozních prostředích.
Na základě odborných schopností v oblasti návrhu cívek a silných výrobních a testovacích kapacit poskytuje Codaca širokou škálu nízkoztrátových, vysoce účinných a vysoce spolehlivých cívek pro napájecí zdroje serverů, UPS a další zařízení, čímž přispívá ke zlepšení celkové účinnosti napájecích systémů v datových centrech.
Doporučené modely cívek pro napájecí systémy datových center jsou následující:
Vysokoproudé napájecí cívky Codaca jako CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , které vynikají vysokým nasycovacím proudem, nízkým odporem stejnosměrného proudu, širokým frekvenčním rozsahem použití a širokým pracovním teplotním rozsahem, splňují požadavky napájecích systémů datových center na vysoký provozní proud, nízké ztráty při vysoké frekvenci a vysokou hustotu výkonu.
Lité silové induktance jako CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , s formovanou plně stíněnou konstrukcí, silnými proti-EMI vlastnostmi, nízkým odporem stejnosměrného proudu, vysokým proudem a nízkými ztrátami jádra, splňují požadavky napájecích systémů datových center na malou velikost cívky, vysoký proud a odolnost proti EMI.
Plošné montážní napájecí cívky jako SPRH /Česká republika /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL , které mají magnetickou stíněnou konstrukci, silné proti-EMI vlastnosti, malou velikost a jsou vhodné pro hustou montáž.
Cívky s nízkou indukčností řady CSHN jsou navrženy pro napájení GPU. CSHN cívka, vyvinutá společností Codaca samostatně pro serverové zdroje, je plně stíněná, odolná proti elektromagnetickým rušením (EMI) a vyniká vysokou odolností proti stejnosměrnému předpětí. Naše řada vysokofrekvenčních a vysokoproudých cívek je speciálně navržena pro vysokoproudé napájecí aplikace a nabízí vysokou schopnost akumulace energie, extrémně nízký DC odpor a kompaktní rozměry, což ji činí vhodnou pro VRM a vícefázové buck regulátory.
Kromě toho jsou cívky Codaca široce používány v datových centrech ve spínačích, směrovačích, úložných systémech a monitorovacích systémech, včetně vysokoproudých cívek, integrovaných cívek, common-mode povrchově montovaných cívek a dalších, které lze flexibilně přizpůsobit podle požadavků zákazníků. Další informace získáte kontaktováním prodejního oddělení Codaca nebo návštěvou webových stránek společnosti Codaca.
EN