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Con el rápido desarrollo de las tecnologías de inteligencia artificial y big data, los servidores AI, como dispositivos intensivos en computación, realizan tareas críticas en campos como la computación en la nube, el aprendizaje profundo, la conducción autónoma y los robots inteligentes. El rendimiento y la estabilidad de los servidores AI dependen en gran medida del diseño de sus sistemas de alimentación. A medida que las demandas de potencia de cálculo siguen aumentando, las arquitecturas de alimentación tradicionales están progresivamente teniendo dificultades para satisfacer las necesidades de una fuente de alimentación eficiente y estable, lo que ha llevado al surgimiento gradual de arquitecturas de alimentación avanzadas, como la fuente de alimentación distribuida de 48 V, la conversión multipase buck y el control digital, como soluciones principales.
1- Arquitecturas principales de alimentación de los servidores AI
1.1 Arquitectura de alimentación centralizada
Las fuentes de alimentación centralizadas tradicionales emplean una única unidad de fuente de alimentación (PSU) para convertir la corriente alterna (AC) en corriente continua de 12 V, que luego se distribuye a diversas cargas a través de la placa base. Tienen un diseño maduro, bajo costo y son fáciles de gestionar de forma uniforme. Sin embargo, a medida que aumenta el rendimiento computacional de los servidores de inteligencia artificial, sus desventajas resultan evidentes: la larga trayectoria de transmisión de 12 V provoca un aumento significativo en las pérdidas por conducción (I²R); el ancho de banda de regulación de voltaje es limitado, afectando la velocidad de respuesta dinámica; es difícil hacer frente a cambios de carga drásticos a nivel de nanosegundos en CPU/GPU; la redundancia del sistema es deficiente, y un fallo en un solo módulo de alimentación puede provocar el colapso de todo el sistema, lo que reduce su fiabilidad.
1.2 Arquitectura de Alimentación Distribuida (DPA)
La arquitectura de potencia distribuida se ha convertido en la opción preferida para servidores grandes de IA. Su núcleo consiste en el uso de una fuente de alimentación con bus intermedio de 48 V. Las fuentes (PSU) entregan 48 V en corriente continua, aprovechando las características de alto voltaje de transmisión y baja corriente de transmisión para reducir significativamente las pérdidas de energía en las rutas de distribución. Cerca de cargas principales como CPUs y GPUs, se implementan convertidores Point-of-Load (POL) para convertir directamente los 48 V a los voltajes bajos requeridos (por ejemplo, 0,8 V - 1,8 V), logrando un suministro de energía localizado y refinado, lo que mejora considerablemente la velocidad de respuesta transitoria y la precisión de regulación de voltaje.
arquitectura de potencia distribuida de 48 V (Fuente de la imagen: Internet)
1.3 Arquitectura de conversión buck multiphase
Es la solución de implementación específica para que POL alimente cargas de potencia extremadamente alta (como CPUs/GPUs). Al operar alternativamente varios circuitos reductores síncronos en paralelo para suministrar energía a un solo procesador, sus ventajas incluyen: reducir el esfuerzo de corriente y las pérdidas térmicas por fase tras la división de corriente; suavizar eficazmente el rizado de la corriente de salida mediante la operación entrelazada multiphase, reduciendo así la dependencia de los condensadores de desacoplamiento; y habilitar/deshabilitar dinámicamente el número de fases según el consumo de potencia del procesador para optimizar la eficiencia en cargas ligeras.
1.4 Arquitectura de control digital de potencia
Al reemplazar algunos circuitos analógicos por procesadores de señal digital (DSP) o microcontroladores (MCU), se logra una gestión inteligente de la energía. No solo permite algoritmos de control más complejos y flexibles para optimizar la respuesta dinámica y la eficiencia energética, sino que también soporta el monitoreo en tiempo real, ajustes de parámetros, predicción de fallas y gestión remota (por ejemplo, basada en protocolos PMBus/I2C) mediante software. Los diseños avanzados suelen adoptar un modo híbrido de gestión digital + respuesta rápida analógica, equilibrando inteligencia y velocidad.
1.5 Fuente de Alimentación Modular
Ampliamente utilizado en servidores de inteligencia artificial a nivel de centro de datos. Los módulos de alimentación estandarizados (como CRPS) admiten intercambio en caliente, redundancia N+1 y mantenimiento en línea, garantizando una disponibilidad extremadamente alta de las operaciones comerciales. Sus funciones inteligentes permiten ajustar dinámicamente la cantidad de módulos habilitados según las condiciones de carga, evitando un funcionamiento ineficiente bajo cargas ligeras y mejorando significativamente la eficiencia energética general de los centros de datos.
2- Desafíos que plantea a los inductores la evolución de la arquitectura de alimentación eléctrica de los servidores de IA
La innovación en la arquitectura de alimentación de los servidores de IA ha impuesto requisitos de rendimiento más exigentes a los inductores, impulsando a la tecnología de inductores a mantenerse al día con los avances en el diseño de alimentación. Los productos inductores deben satisfacer las siguientes demandas.
① Baja resistencia DC: Las demandas actuales de servidores de IA de alto rendimiento han aumentado significativamente, requiriendo que los inductores posean una alta capacidad de conducción de corriente y un excelente desempeño en la gestión térmica. Cuando los inductores transportan grandes corrientes, generan calor. Una mala disipación del calor puede provocar una degradación del rendimiento o incluso el fallo del material del inductor, afectando la estabilidad de la fuente de alimentación. Por lo tanto, el diseño de baja resistencia de corriente continua (DCR) se ha convertido en un parámetro crítico para los inductores, reduciendo eficazmente las pérdidas de energía y el aumento de temperatura, permitiendo que el inductor demuestre una fiabilidad sobresaliente en aplicaciones de alta corriente.
② Alta frecuencia, bajas pérdidas: Las fuentes de alimentación modernas para servidores de IA exigen niveles de eficiencia del 97 % o incluso del 99 %, siendo los transformadores inductores responsables de una parte significativa de las pérdidas en el sistema. A medida que las frecuencias de conversión de potencia siguen aumentando, los inductores deben equilibrar el rendimiento a alta frecuencia con una alta eficiencia, minimizando las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis. Las pérdidas incrementadas provocadas por las corrientes de alta frecuencia requieren una optimización continua de los materiales y estructuras de los inductores para cumplir con los requisitos de un amplio rango de frecuencias y alta eficiencia.
③ Miniaturización y diseño delgado: Los servidores de IA tienen espacio interno limitado, lo que requiere una reducción adicional del tamaño del inductor sin comprometer el rendimiento. La miniaturización y el diseño de perfil delgado son tendencias futuras en el desarrollo de inductores. Mediante el uso de materiales magnéticos de núcleo de alta densidad y técnicas avanzadas de moldeo, los inductores pueden hacerse más pequeños y también reducir su peso, facilitando el montaje de alta densidad y ahorrando eficazmente espacio valioso en la PCB. Además, estos diseños deben equilibrar la resistencia mecánica y el rendimiento térmico para evitar la degradación del rendimiento en entornos complejos.
④ Alta Fiabilidad: Los servidores de IA suelen operar bajo amplios rangos de temperatura y condiciones de carga continua prolongada. Se requiere que los inductores tengan buena adaptabilidad térmica y estabilidad confiable, capaces de resistir eficazmente los efectos de altas temperaturas y cambios ambientales para garantizar el funcionamiento continuo y estable del equipo.
⑤ Rendimiento EMI: La estructura de blindaje magnético puede suprimir eficazmente el daño causado por la interferencia electromagnética a componentes cercanos o líneas de señal, garantizando un procesamiento preciso de señales débiles por parte del servidor. Los inductores con alto rendimiento contra EMI pueden reducir la contaminación del entorno electromagnético y mejorar la capacidad antiinterferencias del sistema en general.
⑥ Diseño de bajo ruido: Con la creciente demanda de control del ruido en servidores, el zumbido de los inductores también se ha convertido en un aspecto relevante. El ruido generado por la vibración del propio inductor afecta al entorno del centro de datos y a la experiencia del usuario. Particularmente en salas de servidores de centros de datos en la nube a gran escala, la importancia del diseño de bajo ruido no puede pasarse por alto. La tecnología de inductores moldeados y el ajuste de la frecuencia de resonancia ofrecen soluciones efectivas para reducir el ruido zumbante, mejorando significativamente la adaptabilidad ambiental de las fuentes de alimentación de los servidores.
En resumen, los inductores enfrentan múltiples desafíos en los sistemas de alimentación de servidores de IA, incluyendo alta corriente, tamaño reducido, alta frecuencia, fuerte inmunidad al ruido, amplia adaptación a la temperatura y bajo nivel de ruido. Para cumplir con los rigurosos requisitos de aplicación bajo nuevas tendencias, es necesario un progreso continuo mediante la innovación de materiales, la optimización estructural y mejoras en los procesos.
3- Aplicación y recomendaciones de selección para inductores en fuentes de alimentación de servidores de IA
Los inductores en las fuentes de alimentación de servidores de IA realizan múltiples funciones, como filtrado, choques, estabilización de voltaje y corriente, y supresión de ruido. Dadas las exigencias de alto rendimiento y alta confiabilidad de los servidores de IA en las nuevas tendencias, la selección del inductor adecuado es crucial. Codaca se ha centrado en soluciones de inductores de alta fiabilidad y ha lanzado múltiples productos de inductores de alto rendimiento para servidores de IA y dispositivos inteligentes relacionados, cubriendo diversas categorías como inductores de potencia de corriente súper alta, inductores de potencia compactos de alta corriente e inductores moldeados de alta corriente y baja inductancia.
Entre ellas, la serie de inductores de potencia de alta corriente CSBA compacta adopta un material de núcleo magnético de polvo magnético desarrollado internamente por Codaca, que presenta una pérdida del núcleo extremadamente baja, excelentes características de saturación suave de corriente y propiedades de baja pérdida a alta frecuencia. Su diseño delgado ahorra espacio de instalación, lo que lo hace adecuado para requisitos de montaje de alta densidad. Con un rango de temperatura de operación de -55 ℃ a +170 ℃, puede adaptarse a entornos de trabajo de alta temperatura. Los inductores de la serie CSBA cumplen con los requisitos de rendimiento de los inductores para fuentes de alimentación GaN, que exigen baja pérdida a alta frecuencia, alta densidad de potencia y amplio rango de temperatura, y se utilizan ampliamente en módulos principales como convertidores DC-DC y reguladores conmutados.
La inductores moldeados de la serie CSHN , diseñados específicamente para aplicaciones de IA, adoptan una estructura moldeada con un ruido zumbante ultra bajo. Presentan inductancia ultra baja, resistencia DC extremadamente baja, excelentes características de saturación suave y alta capacidad de corriente. Los productos utilizan un diseño delgado para satisfacer las demandas de miniaturización y empaquetado de alta densidad para chips de IA y módulos de potencia. El rango de temperatura de operación es de -40 ℃ a +125 ℃, cumpliendo con los requisitos rigurosos de los dispositivos de computación inteligente.
Al seleccionar componentes, los ingenieros deben considerar las características de carga, corriente, tamaño, frecuencia de operación y condiciones de refrigeración del servidor de IA para elegir el modelo de inductor más adecuado. Por ejemplo, en chasis de servidores compactos con espacio limitado, los Inductores de potencia compactos de alta corriente serie CSBA serían una opción ideal. Para cumplir con los requisitos de las aplicaciones de IA en cuanto a baja inductancia, alta corriente y pequeño tamaño, los Inductor moldeado para IA serie CSHN puede ser seleccionado. La correcta combinación de productos inductores de alto rendimiento puede maximizar la eficiencia de conversión de energía y la estabilidad del sistema de los servidores de IA.