S rychlým vývojem umělé inteligence a technologií velkých dat AI servery, jako výpočetně náročná zařízení, zastávají klíčové úlohy v oblastech jako cloudové výpočetnictví, hluboké učení, autonomní řízení a inteligentní roboti. Výkon a stabilita AI serverů do značné míry závisí na návrhu jejich napájecích systémů. Jak požadavky na výpočetní výkon stále rostou, tradiční napájecí architektury postupně ztrácí schopnost splňovat potřeby efektivního a stabilního napájení, čímž se postupně prosazují pokročilé napájecí architektury, jako je 48V distribuované napájení, vícefázová buck konverze a digitální řízení, jako hlavní řešení.
1- Hlavní napájecí architektury AI serverů
1.1 Centralizovaná napájecí architektura
Tradiční centralizované zdroje používají jeden zdroj napájení (PSU) ke změně střídavého proudu na 12V stejnosměrný proud, který je následně rozváděn k různým zátěžím prostřednictvím základní desky. Mají osvědčený design, nízké náklady a jsou snadno jednotně spravovatelné. S rostoucím výpočetním výkonem AI serverů se však jejich nevýhody stávají zřejmé: dlouhá dráha přenosu 12 V vede k výraznému nárůstu vodivostních ztrát (I²R); šířka pásma regulace napětí je omezená, což ovlivňuje rychlost dynamické odezvy; obtížně zvládají nanosekundové prudké změny zátěže CPU/GPU; systémová redundantnost je špatná a porucha jednoho napájecího modulu může vést ke zhroucnutí celého systému, čímž chybí spolehlivost.
1.2 Distribuovaná architektura napájení (DPA)
Distribuovaná napájecí architektura se stala preferovanou volbou pro velké AI servery. Jejím základem je použití 48V mezibloku napájení. Napájecí zdroje (PSU) vyvádějí 48V stejnosměrného proudu, čímž využívají výhod vysokého přenosového napětí a nízkého přenosového proudu k výraznému snížení ztrát energie v distribučních cestách. U klíčových zátěží, jako jsou CPU a GPU, jsou umístěny měniče Point-of-Load (POL), které přímo převádějí 48V na požadovaná nízká napětí (např. 0,8 V–1,8 V), čímž dosahují lokálního a přesného napájení, což výrazně zvyšuje rychlost přechodové odezvy a přesnost regulace napětí.
48V distribuovaná napájecí architektura (zdroj obrázku: Internet)
1.3 Architektura vícefázového buck měniče
Je to konkrétní realizační řešení pro napájení POL extrémně vysokovýkonových zátěží (např. CPU/GPU). Střídavým provozem více paralelních synchronních krokovacích obvodů, které napájejí jeden procesor, jsou dosaženy výhody jako: snížení proudového zatížení a tepelných ztrát na fázi po rozdělení proudu; efektivní vyhlazení zvlnění výstupního proudu prostřednictvím vícefázového střídavého provozu, čímž se snižuje závislost na derivačních kondenzátorech; a dynamické zapínání/vypínání počtu fází na základě spotřeby procesoru za účelem optimalizace účinnosti při nízké zátěži.
1.4 Digitální architektura řízení napájení
Nahrazením některých analogových obvodů digitálními signálovými procesory (DSP) nebo mikrořadiči (MCU) dosahuje inteligentní správy energie. Umožňuje nejen složitější a flexibilnější řídicí algoritmy pro optimalizaci dynamické odezvy a energetické účinnosti, ale také podporuje sledování v reálném čase, úpravu parametrů, předpovídání poruch a dálkovou správu (např. na základě protokolů PMBus/I2C) prostřednictvím softwaru. Pokročilá řešení často využívají hybridní režim digitální správy + analogová rychlá odezva, čímž vyvažují inteligenci a rychlost.
1.5 Modulární zdroj
Široce používané v úrovni datových center pro AI servery. Standardizované napájecí moduly (např. CRPS) podporují horkou výměnu, N+1 redundantní provoz a online údržbu, čímž zajišťují extrémně vysokou dostupnost provozu. Jejich inteligentní funkce umožňují dynamickou úpravu počtu aktivních modulů na základě zatížení, čímž se předchází neefektivnímu provozu při nízkém zatížení a výrazně se zvyšuje celková energetická účinnost datových center.
2 – Výzvy pro tlumivky vyplývající z vývoje architektury napájení AI serverů
Inovace v architektuře napájení AI serverů klade přísnější nároky na výkon tlumivek, což nutí technologie tlumivek držet krok s pokroky v návrhu napájecích systémů. Výrobky tlumivek musí splňovat následující požadavky.
① Nízký DC odpor: Současné požadavky vysokým výkonem vybavených AI serverů výrazně stouply, což vyžaduje, aby měly cívky vysokou nosnost proudu a vynikající tepelné chování. Když cívky vedou velké proudy, generují teplo. Špatný odvod tepla může vést ke zhoršení výkonu nebo dokonce k poškození materiálu cívky, čímž se negativně ovlivní stabilita napájení. Proto se nízký DC odpor (DCR) stal klíčovým parametrem pro cívky, který efektivně snižuje ztráty energie a nárůst teploty, čímž umožňuje cívce projevit vynikající spolehlivost při aplikacích s vysokým proudem.
② Vysoká frekvence, nízké ztráty: Moderní zdroje pro AI servery vyžadují účinnost na úrovni 97 % nebo dokonce 99 %, přičemž transformátory s cívkami představují významnou část ztrát v systému. Jak pokračuje nárůst frekvencí napájecích obvodů, musí cívky vyvažovat vysokofrekvenční výkon s vysokou účinností a minimalizovat ztráty vířivými proudy a hysterezní ztráty. Zvýšené ztráty způsobené vysokofrekvenčními proudy vyžadují neustálou optimalizaci materiálů a konstrukce cívek, aby byly splněny požadavky na široké frekvenční spektrum a vysokou účinnost.
③ Miniaturizace a tenká konstrukce: AI servery mají omezené vnitřní prostory, což vyžaduje další zmenšení velikosti cívek při zachování výkonu. Miniaturizace a tenké konstrukce jsou budoucí trendy ve vývoji cívek. Použitím materiálů magnetických jader s vysokou hustotou a pokročilých technik lisování lze cívky zmenšit, ale zároveň snížit jejich hmotnost, což usnadňuje montáž s vysokou hustotou a efektivně šetří cenný prostor na desce plošných spojů. Kromě toho musí tyto konstrukce vyvažovat mechanickou pevnost a tepelný výkon, aby se zabránilo degradaci výkonu ve složitých prostředích.
④ Vysoká spolehlivost: AI servery běžně pracují v širokém rozsahu teplot a za podmínek dlouhodobého nepřetržitého zatížení. Cívky musí mít dobrou teplotní přizpůsobivost a spolehlivou stabilitu, schopnost efektivně odolávat vlivům vysokých teplot a změnám prostředí, aby byla zajištěna nepřetržitá a stabilní funkce zařízení.
⑤ Výkon EMI: Magnetická stínící struktura může účinně potlačit poškození způsobené elektromagnetickým rušením u blízkých komponentů nebo signálních vedení, čímž zajišťuje přesné zpracování slabých signálů serverem. Cívky s vysokým výkonem v oblasti EMI mohou snížit elektromagnetické znečištění prostředí a posílit celkovou odolnost systému proti rušení.
⑥ Nízkohlučný design: S rostoucími nároky na ovládání hluku serverů se stává také bzučení cívek důležitým faktorem. Bzučivý hluk vznikající vibracemi samotné cívky ovlivňuje prostředí datových center a uživatelskou zkušenost. Zejména v místnostech serverů rozsáhlých cloudových datových center nelze důležitost nízkošumového návrhu podceňovat. Technologie zalévaných cívek a úprava rezonanční frekvence poskytují efektivní řešení pro snížení bzučivého hluku, což výrazně zlepšuje přizpůsobivost napájení serverů k prostředí.
Shrnutí: Indukční cívky čelí v napájecích systémech AI serverů několika výzvám, jako je vysoký proud, malá velikost, vysoká frekvence, silná odolnost proti rušení, široká teplotní adaptace a nízká hladina hluku. Pro splnění přísných požadavků na použití za nových podmínek je nezbytný nepřetržitý pokrok prostřednictvím inovací materiálů, optimalizace konstrukce a zdokonalování výrobních procesů.
3 – Aplikace a doporučení pro výběr indukčních cívek v napájecích zdrojích AI serverů
Indukční cívky v napájecích zdrojích AI serverů plní několik funkcí, jako je filtrace, tlumení, stabilizace napětí a proudu a potlačování rušení. Vzhledem k vysokým požadavkům na výkon a spolehlivost AI serverů za nových podmínek je klíčové vybrat vhodnou indukční cívku. Codaca se zaměřuje na řešení vysokorychlostních cívek s vysokou spolehlivostí a uvedl na trh několik výkonných produktů cívek pro AI servery a související inteligentní zařízení, které pokrývají různé kategorie, jako jsou super vysokoproudé napájecí cívky, kompaktní vysokoproudé napájecí cívky a formované nízkoodbuzené vysokoproudé cívky.
Mezi nimi je kompaktní vysokoprůchodový induktor řady CSBA využívá magnetický materiál magnetického jádra vyvinutý firmou Codaca, který vyniká extrémně nízkými ztrátami jádra, vynikajícími vlastnostmi měkké nasycenosti proudu a vlastnostmi nízkých ztrát při vysokých frekvencích. Jeho štíhlý design šetří montážním prostorem, což jej činí vhodným pro požadavky na vysokou hustotu montáže. Provozní teplotní rozsah od -55 ℃ do +170 ℃ umožňuje adaptaci na prostředí s vysokou pracovní teplotou. Indukční cívky řady CSBA splňují požadavky na výkon induktorů pro GaN napájecí zdroje s vysokou frekvencí, nízkými ztrátami, vysokou hustotou výkonu a širokým teplotním rozsahem a jsou široce používány v klíčových modulech, jako jsou DC-DC měniče a spínané regulátory.
The plastované tlumivky řady CSHN , které jsou navrženy speciálně pro aplikace umělé inteligence, využívají plastovanou konstrukci s extrémně nízkým hlučením. Tyto tlumivky disponují ultra nízkou indukčností, velmi nízkým odporem vodiče v ustáleném stavu, vynikajícími vlastnostmi měkké saturace a vysokou proudovou zatížitelností. Produkty využívají štíhlý design, který splňuje požadavky na miniaturizaci a vysokou hustotu zapouzdření pro čipy umělé inteligence a výkonové moduly. Rozsah provozní teploty je od -40 ℃ do +125 ℃, čímž splňují přísné požadavky inteligentních výpočetních zařízení.
Při výběru součástek musí inženýři vzít v úvahu zatěžovací charakteristiky, proud, rozměry, pracovní frekvenci a podmínky chlazení AI serveru, aby vybrali nejvhodnější model tlumivky. Například u kompaktních serverových skříní s omezeným prostorem by byla ideální volbou Řada CSBA kompaktních výkonových tlumivek s vysokým proudem , která splňuje požadavky aplikací umělé inteligence na nízkou indukčnost, vysoký proud a malé rozměry. Pro splnění těchto požadavků byla vyvinuta AI plastovaná tlumivka řady CSHN lze vybrat. Správné párování výkonných induktorových produktů může maximalizovat účinnost přeměny energie a stabilitu systému AI serverů.
EN