قدرت محاسباتی در حال انفجار! سیم‌پیچ‌های با عملکرد بالای کوداکا به بهبود بازده انرژی سیستم‌های تغذیه مراکز داده کمک می‌کنند

در حال حاضر، اجرای شتابان برنامه‌های هوش مصنوعی منجر به افزایش قابل توجهی در مصرف انرژی شده است که به طور مستقیم تقاضا برای توان داده‌سرا را افزایش داده است. بر اساس داده‌های آژانس بین‌المللی انرژی از سال 2023، مصرف انرژی مراکز داده جهانی اکنون بیش از ۳٪ از کل مصرف برق جهانی را تشکیل می‌دهد و مصرف توان اوج یک سرور GPU A100 از 10 کیلووات فراتر رفته است. افزایش قابل توجه مصرف توان در مراکز داده، چالش‌های جدیدی را در قبال کیفیت و کمیت تأمین برق ایجاد کرده است. به عنوان یکی از اجزای مهم در مدارهای تغذیه داده‌سرا، انتخاب سیم‌پیچ‌ها نقش حیاتی در بازده تبدیل و پایداری و قابلیت اطمینان عملیاتی سیستم‌های تغذیه داده‌سرا دارد.

1- دسته‌بندی‌ها و روندهای توسعه تغذیه الکتریکی داده‌سرا

تغذیه داده‌مرکز عمدتاً شامل منابع تغذیه سرور، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)، منابع تغذیه DC با ولتاژ بالا، منابع تغذیه توزیع‌شده/منابع تغذیه ماژولار و غیره می‌شود.

1.1 منبع تغذیه سرور

در سرورهای هوش مصنوعی، واحدهای پردازش گرافیکی (GPU)، پردازنده‌ها (CPU) و تراشه‌های شتاب‌دهنده هوش مصنوعی نیاز بسیار بالایی به ثبات و کارایی منبع تغذیه دارند. سرورها معمولاً از مبدل‌های DC-DC کارآمد برای ارائه خروجی ولتاژ پایدار استفاده می‌کنند و سیم‌پیچ‌ها (اندوکتورها) اجزای ضروری و حیاتی در این مبدل‌ها هستند.

با افزایش بودجه توان سرور در حالی که حجم آن ثابت باقی می‌ماند، الزامات تراکم توان حتی سخت‌گیرانه‌تر خواهد شد. واحدهای جدید منبع تغذیه سرور (PSUs) تا حدود 100 وات بر اینچ مکعب افزایش یافته‌اند. در آینده، تغذیه سرورها به سمت تراکم توان بالاتر، بازدهی تبدیل بیشتر و مدیریت هوشمندانه‌تر حرکت خواهد کرد تا تقاضای رو به رشد برای قدرت پردازش را برآورده کند. بهبود بازدهی مبدل از طریق توسعه توپولوژی و فناوری قطعات، راه‌حل دستیابی به تراکم توان بالا است.

1.2 منبع تغذیه UPS

منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) نقش حیاتی در تأمین برق مداوم برای مراکز داده ایفا می‌کنند. هنگامی که قطعی برق یا نوسانات ولتاژ در برق شهری رخ می‌دهد، سیستم UPS به‌سرعت به حالت باتری سوئیچ می‌کند (تأمین برق بدون وقفه)، به‌گونه‌ای که تجهیزات حیاتی در مرکز داده (مانند سرورها، دستگاه‌های ذخیره‌سازی، تجهیزات شبکه و غیره) تحت تأثیر قرار نگیرند.

1.3 منبع تغذیه مستقیم با ولتاژ بالا

سیستم‌های تغذیه برق مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC) صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی در کاربردهایی مانند مراکز داده فراهم می‌کنند. از آنجا که HVDC مرحله اینورتر منبع تغذیه بدون وقفه سنتی (UPS) را حذف می‌کند، بازده تبدیل می‌تواند به بیش از ۹۵٪ برسد و به‌طور موثری مصرف انرژی مرکز داده را کاهش دهد. بر اساس داده‌های مربوطه، بازدهی تامین برق HVDC بیش از ۵٪ نسبت به راه‌حل‌های سنتی UPS بالاتر است. علاوه بر این، از آنجا که HVDC فاقد اینورتر است، میانگین زمان بین خرابی‌ها (MTBF) آن بیش از ۳۰٪ نسبت به UPS بیشتر است. با ادامه تقاضای مراکز داده برای بازدهی انرژی بالاتر، کاهش انتشارات و قابلیت اطمینان بیشتر، تقاضای بازار برای منابع تغذیه HVDC به طور مداوم افزایش خواهد یافت.

۱.۴ منبع تغذیه مستقیم ماژولار/توزیع‌شده

برای حل چالش‌های اصلی مراکز داده از نظر قابلیت اطمینان بالا، مقیاس‌پذیری انعطاف‌پذیر، بهینه‌سازی بازده انرژی و کارایی عملیاتی در سیستم‌های برقی، سرورهای مراکز داده از سیستم‌های توزیع‌شده برق با طراحی ماژولار استفاده می‌کنند. منابع تغذیه ماژولار نه تنها به‌صورت پویا با تقاضاهای محاسباتی سازگار می‌شوند، بلکه از طریق معماری‌های افزونه، جداسازی خطا را نیز انجام داده و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، این سیستم‌ها می‌توانند تعداد ماژول‌های آنلاین را بر اساس بار واقعی به‌صورت پویا تنظیم کنند تا کارایی عملیاتی را بهبود بخشند.

نمودار شماتیک کاربرد مرکز داده

2- نیازمندی‌های سلف در سیستم‌های برقی مراکز داده

در سیستم‌های تغذیه مرکز داده، سیم‌پیچ‌ها به عنوان اجزای اساسی و با نقش‌های مهم عمل می‌کنند. با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی، آن‌ها از نوسانات جریان جلوگیری کرده، خروجی جریان را پایدار می‌سازند و نقش حیاتی در فرآیندهای تبدیل انرژی ایفا می‌کنند و بر بازده انرژی و پایداری سیستم تغذیه تأثیر می‌گذارند. مدارهای توان مختلف، نیازمندی‌های متفاوتی نسبت به سیم‌پیچ‌ها دارند.

در سیستم‌های توان متناوب (AC)، سلف‌ها عمدتاً در مدارهای اصلاح ضریب توان (PFC) و فیلتر کردن EMI استفاده می‌شوند. سلف‌های PFC باید بتوانند جریان‌های گذرا را در فرکانس‌های بالا (ده‌ها کیلوهرتز تا مگاهرتز) تحمل کنند تا از اشباع هسته جلوگیری شود. این سلف‌ها از مواد هسته‌ای کامپوزیتی فلزی استفاده می‌کنند که دارای خصوصیات الکتریکی مانند جریان اشباع بالا، تلفات هسته پایین و پایداری دمایی بالا هستند. سلف‌های مورد استفاده در فیلتر کردن EMI باید قابلیت سرکوب نویز فرکانس بالا را داشته باشند؛ سلف‌های حالت عمومی (common-mode) باید نویز در محدوده مگاهرتز را سرکوب کنند و همچنین طراحی کم‌نشتی مغناطیسی به کار ببرند تا تداخل با مدارهای حساس کاهش یابد.

سیستم توان مستقیم (DC) شامل دو سناریو می‌شود: یکی سیستم HVDC (جریان مستقیم با ولتاژ بالا)، که در شرایط داخلی فعلی ولتاژ معمول آن ۲۴۰ ولت است. دیگری، تامین توان توزیع‌شده DC (مانند تغذیه مستقیم ۴۸ ولتی). توان DC با ولتاژ بالا نیازمند القاگرهایی با ویژگی‌های فرکانس بالا است که فرکانس سوئیچینگ به سطح MHz می‌رسد و از هسته‌های مغناطیسی کم‌تلفات برای پشتیبانی از تبدیل کارآمد DC-DC استفاده می‌شود. طراحی القاگرها باید با قابلیت عایق‌بندی ولتاژ بالا انجام شود تا از خطر شکست ولتاژ بالا جلوگیری شود. القاگرها باید بتوانند جریان‌های بالا را تحمل کنند و در شرایط کاری پیوسته با جریان بالا، افزایش دمای پایینی داشته باشند. همزمان، القاگرها باید به گونه‌ای طراحی شوند که ظرفیت پارازیتی کمی داشته باشند تا مشکلات ناشی از رزونانس فرکانس بالا کاهش یابد. در مورد تامین توان DC توزیع‌شده، القاگرها باید دارای ابعاد کوچک، چگالی توان بالا و مقاومت اهمی کم (DCR) باشند تا تلفات کلی کاهش یابد.

سیم‌پیچ‌ها در سیستم‌های UPS عمدتاً برای فیلتر کردن خروجی اینورتر و مدیریت مدارهای شارژ/دشارژ باتری استفاده می‌شوند. فیلتر کردن خروجی اینورتر نیازمند سیم‌پیچ‌هایی با طراحی فشرده و چگالی توان بالا است که قادر به تحمل جریان‌های بالای ۱۰۰ آمپر در فضای محدود باشند و در عین حال الزامات تحریف هارمونیک پایین را برآورده کنند. اثر فیلتر کردن را می‌توان با استفاده از هسته‌های فریتی ترکیب‌شده با طراحی‌های پیچش چندلایه بهینه کرد. سیم‌پیچ‌های مورد استفاده در منابع تغذیه UPS همچنین باید بتوانند جریان‌های ضربه‌ای را تحمل کنند و در حین شارژ و دشارژ گذرا (ترانزیست) باتری، دارای خصوصیات ضد اشباع باشند؛ بنابراین، سیم‌پیچ‌های فشرده با جریان اشباع بالا برای سیستم‌های UPS مورد نیاز هستند.

سیستم‌های توان ماژولار و توزیع‌شده نیازمند القاگرها برای رعایت الزامات طراحی استاندارد و قابلیت تعویض سریع (hot-swap) هستند که پارامترهای القاگر باید کاملاً یکسان باشند، توانایی سازگاری با پراکندگی حرارت در فضاهای محصور را داشته باشند و محدوده دمای عملیاتی آن‌ها تا دمای -40°C تا +125°C گسترش یابد. علاوه بر القاگرهای سنتی با جریان بالا و القاگرهای از نوع انتگرالی، استفاده از فناوری TLVR می‌تواند قابلیت پاسخ گذرا به تغییرات جریان را در القاگرها بهبود بخشد.

معماری توان مرکز داده و ویژگی‌های فنی (بر اساس داده‌های آنلاین)

3- روندهای تقاضای القاگر در مراکز داده

با تمایل به افزایش توان پردازشی، چگالی توان بالاتر، فرکانس‌های بالاتر و یکپارچگی بیشتر در تجهیزات مراکز داده، القاگرها روندهای توسعه زیر را نشان می‌دهند:

① چگالی توان بالا. قدرت روزافزون سخت‌افزار محاسباتی مراکز داده هوش مصنوعی، اهمیت بالایی به سیم‌پیچ‌ها (اندوکتورها) می‌دهد. سیم‌پیچ‌ها باید بتوانند توان بیشتری را در فضای محدود تجهیزات منبع تغذیه سرور تحمل کنند و همچنین مقاومت بهتری در برابر دمای بالا ارائه دهند.

۲ فرکانس بالا و تلفات کم منابع تغذیه مراکز داده به طور فزاینده‌ای از دستگاه‌های نیمهرسانا با شکاف باند وسیع مانند GaN و SiC استفاده می‌کنند. سیم‌پیچ‌ها باید بتوانند این دستگاه‌های فرکانس بالا را پشتیبانی کنند، در عین حال تلفات هسته را کاهش داده و بازده تبدیل سیستم را بهبود بخشند.

۳ کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی در مراکز داده هوش مصنوعی، سرورها و کارت‌های شتاب‌دهنده هوش مصنوعی به طور فزاینده‌ای واحدهای محاسباتی بیشتری را در فضای محدود ادغام می‌کنند که لزوم کوچک‌سازی قطعات از جمله سیم‌پیچ‌ها را ضروری می‌سازد. این امر مستلزم کاهش اندازه و افزایش چگالی توان است.

۴ قابلیت اطمینان بالا سیستم‌های تغذیه مرکز داده به‌طور مداوم کار می‌کنند و هرگونه قطعی برق یا توقف مجاز نیست. علاوه بر استفاده از طراحی‌های با افزونگی و منابع تغذیه پشتیبان، قابلیت اطمینان و پایداری دمایی قطعات بسیار بالا است و سیم‌پیچ‌های انتخاب‌شده نیز باید دارای قابلیت اطمینان بالایی باشند.

4-کدکا سیم‌پیچ‌ها به بهبود بازدهی تغذیه مرکز داده کمک می‌کنند

به‌عنوان تأمین‌کننده پیشرو در فناوری قطعات مغناطیسی، کوداکا متخصص در ارائه راه‌حل‌های سفارشی محصولات سیم‌پیچ است. سیم‌پیچ‌های توسعه‌یافته توسط کوداکا به‌طور گسترده در سرورهای هوش مصنوعی، منابع تغذیه مراکز داده و تجهیزات مخابراتی استفاده می‌شوند.

برای برآوردن الزامات عملکرد بالا در قطعات الکترونیکی منابع تغذیه مراکز داده، کوداکا به‌طور مستقل خطوط مختلفی از محصولات را توسعه داده است، از جمله سیم‌پیچ‌های با اشباع بالا و جریان بالا، سیم‌پیچ‌های قالب‌گیری‌شده یکپارچه با تلفات کم و سبک‌وزن، سیم‌پیچ‌های توان سطحی مناسب برای نصب با چگالی بالا، سیم‌پیچ‌های توان با اندوکتانس پایین و سیم‌پیچ‌های با فرکانس بالا و جریان بالا. سیم‌پیچ‌های کوداکا دارای جریان اشباع حداکثر 350 آمپر، بازده تبدیل انرژی تا 98 درصد و دمای کاری تا 165 درجه سانتی‌گراد هستند. این محصولات دارای گواهی AEC-Q200 بوده و برای استفاده در محیط‌های کاری سخت و پیچیده مناسب هستند.

با تکیه بر توانایی‌های حرفه‌ای در طراحی سیم‌پیچ و همچنین قابلیت‌های قوی در تولید و آزمون محصول، کوداکا طیف وسیعی از سیم‌پیچ‌های با تلفات کم، بازده بالا و قابلیت اطمینان بالا را برای منابع تغذیه سرورها، منابع تغذیه UPS و غیره ارائه می‌دهد و به بهبود کارایی کلی منابع تغذیه مراکز داده کمک می‌کند.

مدل‌های پیشنهادی سیم‌پیچ برای سیستم‌های تغذیه مرکز داده به شرح زیر است:

سیم‌پیچ‌های توان جریان بالای کوداکا مانند سی‌پی‌ایکس /سی‌پی‌ای /CSBA /سی‌اس‌بی‌اکس /سی‌اس‌سی‌اف /سی‌اس‌سی‌ام /سی‌اس‌سی‌ای ، با ویژگی‌های جریان اشباع بالا، مقاومت DC پایین، محدوده فرکانس کاربردی گسترده و محدوده دمای عملیاتی وسیع، نیازهای سیستم‌های تغذیه مرکز داده را در حوزه جریان عملیاتی بالا، تلفات کم در فرکانس بالا و چگالی توان بالا برآورده می‌کنند.

سلف‌های قدرت فرم شده مانند سی‌اس‌ای‌بی /سی‌اس‌ای‌جی /سی‌اس‌اچ‌بی /سی‌اس‌ای‌بی ، با ساختار محافظت کامل قالب‌گیری‌شده، عملکرد قوی ضد تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، مقاومت DC پایین، جریان بالا و تلفات هسته‌ای کم، الزامات سیستم‌های تغذیه مرکز داده در خصوص اندازه کوچک سیم‌پیچ، جریان بالا و عملکرد ضد تداخل الکترومغناطیسی را برآورده می‌سازند.

سیم‌پیچ‌های توان نصب سطحی مانند اس‌پی‌آر‌اچ /CSUS /CRHSM /اس‌پی‌کیو /اس‌پی‌دی /اس‌پی‌بی‌ال ، با ساختار محافظ مغناطیسی، عملکرد قوی ضد تداخل الکترومغناطیسی، اندازه کوچک و مناسب برای نصب با چگالی بالا.

سری CSHN سیم‌پیچ‌های توان با اندوکتانس پایین برای تغذیه GPU طراحی شده‌اند. سیم‌پیچ CSHN که توسط کوداکا به‌طور مستقل و به‌ویژه برای منابع تغذیه سرور توسعه یافته است، دارای ساختار کاملاً شیلد‌دار، مقاومت قوی در برابر EMI و قابلیت عالی در بایاس DC است. سری سیم‌پیچ‌های با فرکانس بالا و جریان بالای ما به‌طور خاص برای کاربردهای توان با جریان بالا طراحی شده است و دارای ذخیره‌سازی انرژی بالا، مقاومت DC بسیار پایین و ابعاد فشرده است و بنابراین برای VRMها و منظم‌کننده‌های بوک چندفاز مناسب است.

علاوه بر این، سیم‌پیچ‌های کوداکا به‌طور گسترده در سوئیچ‌ها، روترها، سیستم‌های ذخیره‌سازی و سیستم‌های نظارتی مراکز داده، از جمله سیم‌پیچ‌های با جریان بالا، سیم‌پیچ‌های مجتمع، سیم‌پیچ‌های حالت عمومی/مونتاژ سطحی و غیره استفاده می‌شوند که همه آنها می‌توانند به‌صورت انعطاف‌پذیر بر اساس نیاز مشتری سفارشی‌سازی شوند. برای اطلاعات بیشتر لطفاً با فروش کوداکا تماس بگیرید یا به وب‌سایت کوداکا مراجعه کنید.