مقدمه‌ای بر نیازها و دستورالعمل‌های انتخاب سلف تأمین‌کنندهٔ انرژی سرورهای هوش مصنوعی

رشد انفجاری بارهای کاری هوش مصنوعی، نیازهای طراحی سیستم‌های تغذیه سرور را از پایه دگرگون کرده است. با اینکه واحدهای پردازش گرافیکی (GPU)، واحدهای پردازش مرکزی (CPU) و شتاب‌دهنده‌های اختصاصی هوش مصنوعی (xPU) ترانزیستورهای فزاینده‌ای را در یک بسته واحد جای می‌دهند، توان تزریق‌شده روی مدار به این قطعات به صدها و حتی هزاران وات در هر سوکت رسیده است. برای پیشی گرفتن از این روند، ماژول‌های تنظیم ولتاژ (VRM) و مبدل‌های تغذیه در محل مصرف (PoL) که این پردازنده‌ها را تغذیه می‌کنند، تحت فشار افزایش چگالی جریان و پاسخ‌گویی سریع‌تر به تغییرات ناگهانی ولتاژ قرار گرفته‌اند تا حدی که در تاریخ سرورها بی‌سابقه است.

در قلب هر یک از این مراحل توان، مؤلفه‌ای به ظاهر ساده قرار دارد: سیم‌پیچ توان. این مؤلفه اصلاً کالایی معمولی نیست؛ بلکه سیم‌پیچ به یکی از عوامل کلیدیِ فراهم‌کنندهٔ عملکرد تبدیل توان در سرورهای هوش مصنوعی تبدیل شده است — و در صورت انتخاب نادرست، می‌تواند به یکی از مهم‌ترین گلوگاه‌های سیستم تبدیل توان سرورهای هوش مصنوعی تبدیل شود. این مقاله به بررسی تحولات در سیستم تأمین توان سرورهای هوش مصنوعی، الزامات ناشی از این تحولات برای سیم‌پیچ‌ها، پارامترهایی که مهندسان باید در فرآیند انتخاب با دقت بالا وزن‌دهی کنند، و نحوهٔ پاسخ‌گویی خانواده‌های سیم‌پیچ‌های طراحی‌شدهٔ اختصاصی مانند سری‌های CSBA و CSHN از شرکت CODACA به این نیازها می‌پردازد.

1- تغییر در معماری توان سرورهای هوش مصنوعی

سیستم‌های تبدیل توان سرورهای سنتی در حال جایگزینی شدن با معماری‌هایی هستند که بر اساس چهار روند موازی شکل گرفته‌اند:

◾توزیع جریان مستقیم با ولتاژ بالا. بسیاری از رک‌های نسل بعدی سرورهای هوش مصنوعی در حال گذار از سیستم توزیع ۱۲ ولتی قدیمی به باسبارهای جریان مستقیم ۴۸ ولتی هستند تا اتلاف توان ناشی از مقاومت (I²R) در برد پشتی (backplane) کاهش یابد؛ سپس توان در سطح برد به ولتاژ مناسب کاهش داده می‌شود.

◾تبدیل توان توزیع‌شده در نقطه مصرف. به جای یک مبدل متمرکز تکی، اکنون توان در نزدیکی هر پردازنده از طریق چندین مرحله PoL تنظیم می‌شود که هر کدام بانک خودِ سیم‌پیچی دارد.

◾کنترل دیجیتال. کنترل‌کننده‌های دیجیتال PWM با حلقه‌های بازخورد سریع، امکان واکنش مبدل‌ها به تغییرات شدید بار مشخصه بارهای GPU را فراهم می‌کنند.

◾مدیریت هوشمند توان. مراحل توان مبتنی بر تله‌متري، تعداد فازها و رفتار کلیدزنی را به‌صورت پویا بر اساس شرایط بار در زمان واقعی تنظیم می‌کنند.

هر تغییر ساختاری، نیازهای جدیدی برای عملکرد سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌کند؛ بنابراین انتخاب سیم‌پیچ‌ها تصمیم اصلی طراحی است، نه یک امر ثانویه. چرا سیم‌پیچ‌ها در تأمین توان سرورهای هوش مصنوعی اهمیت دارند.

سیم‌پیچ‌های توان در ابتدای زنجیره تأمین توان تراشه قرار دارند و جریانی پایدار و کم‌نویز را به سیلیکونی که در نهایت محاسبات هوش مصنوعی را انجام می‌دهد، تحویل می‌دهند. آن‌ها در مسیر تأمین توان سرورهای هوش مصنوعی، همزمان چندین عملکرد را ایفا می‌کنند:

◾  ذخیره‌سازی انرژی و تنظیم ولتاژ در توپولوژی‌های مبدل‌های کاهنده (buck)، چندفازی (multiphase) و TLVR که GPUها، CPUها و کارت‌های شتاب‌دهنده را تغذیه می‌کنند.

◾ صاف‌سازی موج ریپل تا اینکه مراحل DC-DC با سوئیچینگ سریع، جریان خروجی پاک و پایدار تأمین کنند، نه اینکه موج نویزی تولید کنند که ممکن است منطق دیجیتال حساس را ناپایدار کند.

◾ فیلتر کردن سیگنال و سرکوب نویز جایی که سیم‌پیچ‌های مود مشترک و سیم‌پیچ‌های مود تفاضلی در کنار خازن‌ها عمل می‌کنند تا ریپل فرکانس بالا را از مرحله اصلی AC-DC حذف کنند و یکپارچگی سیگنال‌های پرسرعت را حفظ کنند.

چون سیم‌پیچ‌ها تقریباً در همه مراحل تبدیل انرژی در سرورهای هوش مصنوعی ظاهر می‌شوند — از بخش جلویی AC-DC در سطح رک تا ریل هسته‌ای زیر ۱ ولت پردازنده — ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی آن‌ها تأثیر بسزایی بر کارایی، پایداری و قابلیت اطمینان کل سیستم دارند.

2- نیازمندی‌های اصلی عملکردی برای سیم‌پیچ‌های سرور هوش مصنوعی

در مقایسه با سیم‌پیچ‌های به‌کاررفته در سرورهای معمولی، سیم‌پیچ‌های سرور هوش مصنوعی باید مجموعه‌ای سخت‌تر و هم‌پوشان از نیازمندی‌ها را برآورده کنند:

2.1 مقاومت مستقیم کم (DCR) برای کارکرد با جریان بالا. جریان مصرفی شتاب‌دهنده‌های مدرن هوش مصنوعی به‌طور چشمگیری افزایش یافته است و سیم‌پیچ‌ها باید این جریان را با کمترین تلفات اهمی حمل کنند. مقاومت مستقیم بالا (DCR) به‌طور مستقیم منجر به افزایش گرمایش ناشی از I²R می‌شود؛ اگر این گرما به‌درستی مدیریت نشود، ماده مغناطیسی ممکن است تخریب شود یا سیم‌پیچ کاملاً از کار بیفتد و پایداری ریل تغذیه را به خطر بیندازد. بنابراین، ساختار با DCR پایین به‌جای یک ویژگی اختیاری، به‌عنوان یک پارامتر طراحی اولیه در نظر گرفته می‌شود.

2.2 کارکرد با فرکانس بالا و تلفات هسته‌ای کم. منابع تغذیه سرورهای هوش مصنوعی معمولاً برای بازده تبدیل نزدیک به ۹۹٪ مشخص می‌شوند. هنگامی که فرکانس‌های کلیدزنی برای عبور دادن توان بیشتر از طریق فضای کوچک‌تر افزایش می‌یابند، تلفات هسته‌ای و سیم‌پیچی نیز در صورت بهینه‌سازی خاص ماده مغناطیسی و هندسه سیم‌پیچ برای کارکرد با فرکانس بالا، هم‌زمان افزایش می‌یابند.

2.3 کوچک‌سازی بدون قربانی کردن عملکرد. فضای مادربرد در سرورهای هوش مصنوعی بسیار محدود است و مراحل تأمین توان باید تا حد امکان نزدیک به پردازنده قرار گیرند تا القای نامطلوب کاهش یابد. این امر طراحان سیم‌پیچ را به سمت مواد مغناطیسی با چگالی بالا و ساختارهای قالب‌گیری‌شدهٔ یک‌تکه سوق می‌دهد که علاوه بر کاهش سطح اشغالی و ارتفاع، ظرفیت تحمل جریان را حفظ می‌کنند — ویژگی‌ای مهم برای نصب سطحی با چگالی بالا.

◾ قابلیت اطمینان بلندمدت. سرورهای هوش مصنوعی تقریباً به‌صورت شبانه‌روزی و با بار کاری بالا کار می‌کنند. سیم‌پیچ‌های مورد استفاده در این محیط باید عملکرد الکتریکی پایداری را در طول عمر طولانی عملیاتی، تحت تأثیر استرس حرارتی و الکتریکی مداوم، حفظ کنند.

◾  suppression قوی EMI. ساختار مغناطیسی شیلدشده جریان مغناطیسی را درون خود محدود می‌کند و تداخل گسیل‌شده را کاهش داده و به سیستم اطراف کمک می‌کند تا الزامات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را برآورده سازد — این موضوع هرچه چگالی توان در سطح مادربرد افزایش می‌یابد، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

3- پارامترهای کلیدی انتخاب که مهندسان باید ارزیابی کنند.

هنگام تنگ کردن مجموعهٔ القاگرهای احتمالی برای سرورهای هوش مصنوعی و تخته‌های رایانش پرتوان، مهندسان معمولاً به سه پارامتر الکتریکی کلیدی—جریان اشباع، مقاومت مستقیم (DCR) و جریان افزایش دما—می‌رسند که با مجموعه‌ای گسترده‌تر از معیارهای قابلیت اطمینان و تداخل پشتیبانی می‌شوند.

3.1 جریان اشباع (Isat)

بارهای وظیفهٔ واحد پردازش گرافیکی (GPU) به‌طور مشهوری دارای تغییرات ناگهانی بار هستند؛ نرخ تغییر جریان (di/dt) در طول یک پلهٔ بار می‌تواند به اندازهٔ حدود ۱۰۰ آمپر بر میکروثانیه برسد. اگر هستهٔ القاگر در چنین شرایطی اشباع شود، ضریب خودالقایی به‌طور حاد کاهش می‌یابد و حلقهٔ کنترل مبدل ممکن است از تنظیم خارج شود که این امر پایداری سیستم را تهدید می‌کند. این موضوع باعث می‌شود حاشیهٔ ایمنی جریان اشباع—نه صرفاً رتبهٔ جریان در حالت پایدار—معیاری حیاتی در انتخاب القاگرهای مراحل تأمین توان سرورهای هوش مصنوعی باشد.

3.2 مقاومت DC (DCR)

دی‌سی‌آر اصلی‌ترین عامل تلفات مسی و در نتیجه بازده کلی مبدل است. از این رو، مهندسان به‌طور فزاینده‌ای از سیم‌پیچ‌های تخت‌سیم برای ساخت سیم‌پیچ‌های القایی به‌جای روش سنتی سیم‌پیچ گرد استفاده می‌کنند؛ زیرا طراحی‌های تخت‌سیم می‌توانند دی‌سی‌آر را در مقایسه با معادل‌های گردسیم با اندازه‌ی مشابه بیش از ۳۰ درصد کاهش دهند و این امر مستقیماً منجر به کاهش تلفات توان و عملکرد خنک‌تر می‌شود.

3.3 جریان افزایش دما (آی‌آرم‌اس)

سرورهای هوش مصنوعی معمولاً ۲۴ ساعته و هفت روز هفته تحت بار بالا کار می‌کنند، بنابراین حاشیه‌ی حرارتی اختیاری نیست. انتخاب باید اطمینان حاصل کند که جریان افزایش دمای نامی سیم‌پیچ القایی از بیشترین جریان کاری پیوسته‌ی مدار فراتر رود و حاشیه‌ی طراحی کافی برای بدترین شرایط محیطی و جریان هوا نیز حفظ شود.

3.4 مقدار القا و فرکانس کلیدزنی

فرکانس‌های تغییر ولتاژ در سرورهای هوش مصنوعی از حدود ۳۰۰ کیلوهرتز در طراحی‌های قدیمی به محدودهٔ ۱ تا ۳ مگاهرتز و بیشتر منتقل شده‌اند. پیامد فوری این امر این است که مقدار ضروری القایی — و در نتیجه اندازهٔ فیزیکی سیم‌پیچ — به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با این حال، در محیط‌های با جریان بالا و چگالی توان بالا که معمولاً در سرورهای هوش مصنوعی دیده می‌شوند، افزایش فرکانس کلیدزنی هم‌زمان باعث افزایش تلفات جریان متناوب در سیم‌پیچ و تلفات هسته می‌شود؛ بنابراین، مزیت فرکانس بالاتر باید همراه با مادهٔ مغناطیسی خاصی باشد که به‌طور دقیق برای تلفات کم در فرکانس‌های بالا طراحی شده باشد.

فرا از این چهار پارامتر اصلی، مهندسان ساختار محافظت مغناطیسی، داده‌های قابلیت اطمینان بلندمدت و چگالی توان قابل دستیابی در فضای محدود را نیز در ارزیابی جامعی لحاظ می‌کنند. در عمل، انتخاب سیم‌پیچ مناسب به تطبیق دقیق پروفایل بار خاص، بزرگی جریان، فرکانس کلیدزنی و محیط حرارتی هر ریل تغذیهٔ سرور هوش مصنوعی با محصولی بستگی دارد که دقیقاً برای آن ترکیب طراحی شده است.

4- هشدار  برای ریل‌های تغذیه سرور هوش مصنوعی

مراحل مختلف زنجیره تغذیه سرور هوش مصنوعی نیازمند فناوری‌های ساخت متفاوت برای سیم‌پیچ‌ها هستند:

◾ سلف‌های توان با جریان بالا کاربرد اصلی این سیم‌پیچ‌ها تأمین توان کارت‌های GPU، CPU و شتاب‌دهنده است و در طراحی آن‌ها به عملکرد قوی جریان اشباع، تحمل پایدار جریان بالا با افزایش دمای حداقل، ویژگی‌های مناسب اتلاف در فرکانس بالا و مواد مغناطیسی کم‌اتلاف مانند فریت یا پودر آلیاژ فلزی توجه ویژه می‌شود.

◾ چوک های قدرت قالب گیری در این سیم‌پیچ‌ها سیم‌پیچ و هسته به‌طور کامل از طریق فرآیند قالب‌گیری فشرده‌سازی با پودر مغناطیسی یکپارچه می‌شوند که این امر نشتی شار را کاهش داده و رفتار جریان اشباع را بهبود می‌بخشد. این ساختار معمولاً چگالی توان بالاتر و سرکوب EMI قوی‌تری نسبت به سیم‌پیچ‌های سیم‌پیچی مرسوم ایجاد می‌کند و بنابراین برای مبدل‌های DC-DC با توان بالا و ریل‌های تغذیه CPU/GPU که فضای مادربرد بسیار محدود است، مناسب است.

◾ سیم‌پیچ‌های TLVR (تنظیم‌کننده ولتاژ ترانس-سیم‌پیچی) از ساختار دوگانهٔ جفت‌شده با دو سیم‌پیچ برای ساده‌سازی طراحی مبدل چندفاز و کاهش تعداد اجزا روی برد مدار چاپی (PCB) استفاده می‌کند. برای ریل‌های ولتاژ پایین، جریان بالا و واکنش سریع به تغییرات که معمولاً در شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی دیده می‌شوند، طرح‌های TLVR می‌توانند پاسخ‌دهی به تغییرات ناگهانی را بهبود بخشیده و نوسان خروجی را کاهش دهند، در عین حال ظرفیت خازن خروجی مورد نیاز را پایین آورده‌اند — صرفه‌جویی معناداری در هزینه و فضای سیستم.

5-راه‌حل‌های سیم‌پیچی CODACA برای سرورهای هوش مصنوعی

CODACA پورتفولیوی سیم‌پیچی خود را دقیقاً بر اساس نیازهای فوق ساخته است و مواد هسته‌ای پودری آلیاژ مغناطیسی انحصاری و فرآیندهای تولید قالب‌گیری یک‌قطعه‌ای را توسعه داده است که به نیازهای جریان بالا، اشباع بالا، فرکانس بالا و تلفات پایین، و همچنین اندازهٔ کوچک در سرورهای هوش مصنوعی و تجهیزات محاسباتی هوشمند مرتبط پاسخ می‌دهد. دو سری محصول نشان می‌دهند که این اصول طراحی چگونه در عمل به اجزای واقعی برای ریل‌های تغذیهٔ هوش مصنوعی تبدیل می‌شوند.

5.1 سری CSBA فشرده و با قابلیت افزایش بالا  القوی فعلی

The سری CSBA بر پایهٔ مادهٔ هسته‌ای مغناطیسی ساخته‌شده از پودر آلیاژ توسعه‌یافته توسط کُداکا ساخته شده و برای کاربردهایی طراحی شده که در آن‌ها فضای مورد نیاز روی برد و بازده در فرکانس‌های بالا هر دو از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند:

The سری CSBA هستهٔ پودری آلیاژ اختصاصی با اتلاف هسته‌ای بسیار کم، ویژگی جریان اشباع نرم برای عملکرد پایدار در برابر بارهای گذرا، اتلاف کم در فرکانس‌های بالا و مناسب برای راه‌حل‌های تأمین توان مبتنی بر گالیوم نیترید (GaN). ترکیب اتلاف کم هسته و عملکرد قوی در فرکانس‌های بالا، سری CSBA را به گزینه‌ای کاربردی برای مبدل‌های DC-DC و تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ که در فرکانس‌های بالاتری که معمولاً در مرحلهٔ VRM سرورهای هوش مصنوعی امروزی دیده می‌شوند — از جمله طرح‌های تأمین توان مبتنی بر GaN — تبدیل می‌کند.

 5.2 سری CSHN مولد قدرت گرفتاری برای شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی

The سری CSHN یک سیم‌پیچ تقویت‌کنندهٔ قالب‌گیری‌شده برای ریل‌های ولتاژ بسیار پایین و جریان بالا است که نزدیک‌ترین موقعیت را نسبت به تراشه‌های پردازندهٔ هوش مصنوعی دارند. این محصول سری CSHN محدودهٔ اندوکتانس از ۵۶ تا ۸۲ نانوهنری است، و در قطعات نماینده حدود ۰٫۱۹ میلی‌اُهم است. با مقدار اندوکتانس بسیار پایین، مقاومت مستقیم بسیار کم (DCR)، و توانایی عبور جریان بالا در قالبی فشرده و قالب‌گیری‌شده، سری CSHN به‌طور دقیق برای نیازهای کوچک‌سازی و نصب با چگالی بالا در ماژول‌های تأمین توان تراشه‌های هوش مصنوعی طراحی شده است؛ در عین حال، محدودهٔ دمایی گستردهٔ کاری آن از بار حرارتی مداوم معمول در سخت‌افزارهای محاسبات هوشمند پشتیبانی می‌کند.

5.3 انتخاب القاء‌کنندهٔ منطبق با کاربرد

برای مهندسانی که ریل‌های تأمین توان سرورهای هوش مصنوعی را طراحی می‌کنند، نکتهٔ عملی این است که انتخاب القاء‌کننده باید از پروفایل الکتریکی و حرارتی ریل خاص آغاز شود، نه از جستجوی عمومی «القاء‌کنندهٔ جریان بالا»:

◾در مکان‌های شاسی یا برد که فضای موجود بسیار محدود است اما نیازهای جریان و فرکانس همچنان قابل توجه باقی می‌مانند، یک خانوادهٔ القاء‌کنندهٔ جریان بالا و فشرده مانند سری CSBA گزینه‌ای قوی است.

◾برای ریل‌های ولتاژ بسیار پایین، اندوکتانس کم و جریان بالا که مستقیماً تراشه‌های هوش مصنوعی را تغذیه می‌کنند—جایی که کاهش حداکثری اندازه و مقاومت مستقیم (DCR) اولویت اصلی است—یک اندوکتور تراشه‌ای قالب‌گیری‌شده مانند سری CSHN بهتر با نیازها همخوانی دارد.

◾برای ریل‌های هسته‌ی GPU با چند فاز و پاسخ سریع به تغییرات بار، یک اندوکتور مبتنی بر TLVR ممکن است در پاسخ‌دهی به تغییرات ناگهانی و تعداد خازن‌های خروجی، مزایای سطح سیستمی ارائه دهد که اندوکتور معمولی با یک سیم‌پیچ نمی‌تواند آن را تأمین کند.

5- نتیجه‌گیری

تحویل توان در سرورهای هوش مصنوعی به‌طور قاطع به سمت توزیع ولتاژ بالاتر، تبدیل توزیع‌شده در نقطه‌ی بار، و فرکانس‌های سوئیچینگ چند مگاهرتزی حرکت کرده است—همه‌ی این‌ها در شرایط عملیاتی پیوسته و با بهره‌برداری بالا. این ترکیب، همزمان خواسته‌هایی از اندوکتورهای توان در زمینه‌ی مقاومت مستقیم پایین (DCR)، جریان اشباع بالا، تلفات کم در فرکانس‌های بالا، اندازه‌ی فشرده، محافظت قوی در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و قابلیت اطمینان بلندمدت ایجاد می‌کند.

انتخاب خانوادهٔ مناسب سیم‌پیچ و مدل مناسب درون آن خانواده برای هر ریل تغذیه دیگر یک تصمیم عادی در لیست قطعات (BOM) نیست، بلکه ابزاری مؤثر برای بهبود بازده تبدیل انرژی در سرورهای هوش مصنوعی و پایداری کلی سیستم محسوب می‌شود. خطوط محصول طراحی‌شده برای کاربردهای خاص مانند سری‌های CSBA و CSHN شرکت CODACA — و فناوری‌های گسترده‌تر سیم‌پیچ‌های جریان بالا، قالب‌گیری‌شده و TLVR که این سری‌ها نمایندهٔ آن‌ها هستند — نشان می‌دهند که تأمین‌کنندگان قطعات مغناطیسی چگونه در پاسخ به این نیازها عمل می‌کنند، در حالی که محاسبات هوش مصنوعی به‌طور فزاینده‌ای در مقیاس بزرگ‌تری انجام می‌شوند.

برای مشاهدهٔ مشخصات الکتریکی دقیق، طرح‌های ابعادی و درخواست نمونه، به  وب‌سایت رسمی CODACA مراجعه کنید ：https://www.codaca.com.cn/.