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Avec le développement rapide de l'intelligence artificielle et des technologies de big data, les serveurs IA, en tant que dispositifs intensifs en calcul, assument des tâches critiques dans des domaines tels que le cloud computing, l'apprentissage profond, la conduite autonome et les robots intelligents. Les performances et la stabilité des serveurs IA dépendent largement de la conception de leurs systèmes d'alimentation électrique. Alors que la demande en puissance de calcul ne cesse d'augmenter, les architectures d'alimentation traditionnelles peinent progressivement à répondre aux besoins d'une alimentation efficace et stable, ce qui conduit à l'émergence progressive d'architectures d'alimentation avancées, telles que l'alimentation distribuée en 48 V, la conversion buck multiphase et la commande numérique, devenues des solutions principales.
1- Principales architectures d'alimentation des serveurs IA
1.1 Architecture d'alimentation centralisée
Les alimentations centralisées traditionnelles utilisent une seule unité d'alimentation (PSU) pour convertir le courant alternatif en courant continu 12 V, qui est ensuite distribué à différentes charges via la carte mère. Elles disposent d'une conception mature, d'un faible coût et sont faciles à gérer de manière uniforme. Toutefois, à mesure que la puissance de calcul des serveurs d'IA augmente, leurs inconvénients deviennent apparents : la longue distance de transmission en 12 V entraîne une augmentation significative des pertes par conduction (I²R) ; la bande passante de régulation de tension est limitée, ce qui affecte la rapidité de réponse dynamique ; elles peinent à suivre les variations de charge extrêmes au niveau nanoseconde des CPU/GPU ; la redondance du système est insuffisante, et la défaillance d'un seul module d'alimentation peut entraîner l'arrêt complet du système, compromettant ainsi la fiabilité.
1.2 Architecture d'alimentation distribuée (DPA)
L'architecture d'alimentation distribuée est devenue le choix privilégié pour les grands serveurs d'intelligence artificielle. Son cœur repose sur l'utilisation d'un bus intermédiaire de 48 V. Les alimentations (PSU) délivrent un courant continu de 48 V, exploitant ainsi les caractéristiques d'une tension de transmission élevée et d'un courant de transmission faible afin de réduire considérablement les pertes énergétiques dans les chemins de distribution. Près des charges principales telles que les processeurs (CPU) et les unités graphiques (GPU), des convertisseurs Point-of-Load (POL) sont installés pour convertir directement les 48 V en basses tensions requises (par exemple, 0,8 V - 1,8 V), assurant ainsi une alimentation localisée et précise, ce qui améliore grandement la rapidité de réponse transitoire et la précision de régulation de tension.
architecture d'alimentation distribuée 48 V (source de l'image : Internet)
1.3 Architecture de conversion abaisseuse multiphase
Il s'agit de la solution de mise en œuvre spécifique pour l'alimentation POL de charges extrêmement puissantes (telles que les UC/GPU). En faisant fonctionner alternativement plusieurs circuits buck synchrones en parallèle pour alimenter un seul processeur, ses avantages incluent : la réduction de la contrainte de courant et des pertes thermiques par phase après la division du courant ; le lissage efficace des ondulations du courant de sortie grâce à un fonctionnement entrelacé multi-phase, réduisant ainsi la dépendance aux condensateurs de découplage ; et l'activation/désactivation dynamique du nombre de phases selon la consommation du processeur afin d'optimiser l'efficacité en charge partielle.
1.4 Architecture de contrôle numérique de la puissance
En remplaçant certains circuits analogiques par des processeurs de signal numérique (DSP) ou des microcontrôleurs (MCU), il permet une gestion intelligente de l'alimentation. Cela permet non seulement d'utiliser des algorithmes de contrôle plus complexes et flexibles afin d'optimiser la réponse dynamique et l'efficacité énergétique, mais prend également en charge la surveillance en temps réel, les ajustements de paramètres, la prévision des pannes et la gestion à distance (par exemple selon les protocoles PMBus/I2C) via un logiciel. Les conceptions avancées adoptent souvent un mode hybride de gestion numérique + réponse rapide analogique, assurant un équilibre entre intelligence et rapidité.
1.5 Alimentation modulaire
Utilisé de manière répandue dans les serveurs d'IA au niveau des centres de données. Les modules d'alimentation normalisés (tels que CRPS) prennent en charge l'échange à chaud, la redondance N+1 et la maintenance en ligne, garantissant une disponibilité extrêmement élevée des opérations commerciales. Leurs fonctions intelligentes permettent un ajustement dynamique du nombre de modules activés en fonction des conditions de charge, évitant ainsi un fonctionnement inefficace en cas de faible charge et améliorant considérablement l'efficacité énergétique globale des centres de données.
2 - Défis posés aux inductances par l'évolution de l'architecture d'alimentation des serveurs d'IA
L'innovation dans l'architecture d'alimentation des serveurs d'IA a imposé des exigences de performance plus strictes aux inductances, poussant la technologie des inductances à suivre le rythme des avancées en matière de conception d'alimentation. Les produits inductifs doivent répondre aux exigences suivantes.
① Faible résistance continue : Les exigences actuelles des serveurs d'IA hautes performances ont considérablement augmenté, nécessitant que les inductances possèdent une forte capacité de conduction de courant et d'excellentes performances de gestion thermique. Lorsque les inductances transportent de forts courants, elles génèrent de la chaleur. Une mauvaise dissipation de la chaleur peut entraîner une dégradation des performances ou même une défaillance du matériau de l'inductance, affectant ainsi la stabilité de l'alimentation électrique. Par conséquent, la conception à faible résistance continue (DCR) est devenue un paramètre critique pour les inductances, permettant efficacement de réduire les pertes d'énergie et l'élévation de température, ce qui leur confère une fiabilité exceptionnelle dans les applications à fort courant.
② Haute fréquence, faibles pertes : Les alimentations pour serveurs AI modernes exigent des niveaux d'efficacité de 97 %, voire 99 %, les transformateurs inductifs représentant une part importante des pertes dans le système. Alors que les fréquences de conversion d'énergie continuent d'augmenter, les inductances doivent concilier performance en hautes fréquences et haut rendement, en minimisant les pertes par courants de Foucault et par hystérésis. L'augmentation des pertes due aux courants haute fréquence nécessite une optimisation continue des matériaux et structures des inductances afin de répondre aux exigences d'une large plage de fréquences et d'un rendement élevé.
③ Miniaturisation et conception profilée Les serveurs d'IA disposent d'un espace interne limité, ce qui nécessite une réduction supplémentaire de la taille des inducteurs tout en maintenant leurs performances. La miniaturisation et les conceptions à profil fin sont des tendances futures dans le développement des inducteurs. Grâce à l'utilisation de matériaux magnétiques à haute densité et de techniques avancées de moulage, les inducteurs peuvent être rendus plus petits tout en réduisant également leur poids, facilitant ainsi un montage haute densité et permettant d'économiser efficacement l'espace précieux sur les cartes PCB. En outre, ces conceptions doivent équilibrer résistance mécanique et performance thermique afin d'éviter toute dégradation des performances dans des environnements complexes.
④ Haute fiabilité : Les serveurs d'IA fonctionnent généralement dans des plages de température étendues et sous charge continue prolongée. Les inducteurs doivent présenter une bonne adaptabilité thermique et une stabilité fiable, capables de résister efficacement aux effets des hautes températures et aux variations environnementales afin de garantir un fonctionnement continu et stable de l'équipement.
⑤ Performance EMI : La structure de blindage magnétique peut efficacement supprimer les dommages causés par les interférences électromagnétiques aux composants ou lignes de signal à proximité, garantissant un traitement précis des signaux faibles par le serveur. Les inductances à haute performance EMI permettent de réduire la pollution électromagnétique de l'environnement et d'améliorer la capacité anti-brouillage du système global.
⑥ Conception à faible bruit : Face à la demande croissante de maîtrise du bruit des serveurs, le bourdonnement des inductances est également devenu un point d'attention. Le bruit généré par la vibration de l'inductance elle-même affecte l'environnement du centre de données et l'expérience utilisateur. Cela est particulièrement vrai dans les salles de serveurs des grands centres de données cloud, où l'importance d'une conception à faible niveau sonore ne peut être négligée. La technologie des inductances moulées et l'ajustement de la fréquence de résonance offrent des solutions efficaces pour réduire le bruit de bourdonnement, améliorant considérablement l'adaptabilité environnementale des alimentations des serveurs.
En résumé, les inductances sont confrontées à de multiples défis dans les systèmes d'alimentation des serveurs d'intelligence artificielle, notamment des courants élevés, une taille réduite, une fréquence élevée, une forte immunité aux interférences, une adaptation étendue aux températures et un faible niveau de bruit. Pour répondre aux exigences strictes liées aux nouvelles tendances, des progrès continus par l'innovation des matériaux, l'optimisation structurelle et la mise à niveau des procédés sont nécessaires.
3- Applications et recommandations de sélection des inductances pour les alimentations de serveurs d'intelligence artificielle
Les inductances dans les alimentations des serveurs d'intelligence artificielle assurent plusieurs fonctions telles que le filtrage, les selfs de lissage, la stabilisation de la tension et du courant, ainsi que la suppression du bruit. Étant donné les exigences élevées en performance et en fiabilité des serveurs d'intelligence artificielle imposées par les nouvelles tendances, le choix de l'inductance appropriée est crucial. Codaca s'est concentré sur des solutions d'inductances haute fiabilité et a lancé plusieurs produits d'inductances hautes performances destinés aux serveurs d'intelligence artificielle et aux appareils intelligents associés, couvrant diverses catégories telles que les inductances de puissance super haute intensité, les inductances de puissance compactes haute intensité et les inductances moulées basse inductance haute intensité.
Parmi eux, le inducteur de puissance à courant élevé compact de la série CSBA adopte un matériau de noyau magnétique à poudre magnétique développé en interne par Codaca, caractérisé par des pertes dans le noyau extrêmement faibles, d'excellentes caractéristiques de saturation progressive et des propriétés de faible perte à haute fréquence. Son design fin permet d'économiser de l'espace d'installation, ce qui le rend adapté aux exigences de montage haute densité. Avec une plage de température de fonctionnement allant de -55 °C à +170 °C, il peut s'adapter à des environnements de travail à haute température. Les inductances de la série CSBA répondent aux exigences de performance des alimentations GaN en matière d'inductances à faible perte à haute fréquence, forte densité de puissance et large plage de température, et sont largement utilisées dans des modules essentiels tels que les convertisseurs DC-DC et les régulateurs à commutation.
La inductances moulées de la série CSHN , conçues spécifiquement pour les applications d'IA, adoptent une structure moulée avec un bruit extrêmement faible. Elles offrent une inductance ultra-faible, une résistance continue extrêmement faible, d'excellentes caractéristiques de saturation progressive et une forte capacité de courant. Les produits utilisent un design fin afin de répondre aux exigences de miniaturisation et d'emballage haute densité des puces d'IA et des modules d'alimentation. La plage de température de fonctionnement est de -40 °C à +125 °C, satisfaisant ainsi aux exigences strictes des dispositifs de calcul intelligents.
Lors du choix des composants, les ingénieurs doivent prendre en compte les caractéristiques de charge, le courant, les dimensions, la fréquence de fonctionnement et les conditions de refroidissement du serveur d'IA afin de sélectionner le modèle d'inductance le plus adapté. Par exemple, dans des châssis de serveurs compacts avec un espace limité, la Série CSBA d'inductances de puissance compactes à fort courant serait un choix idéal. Pour répondre aux exigences des applications d'IA en matière d'inductance faible, de fort courant et de petites dimensions, la Série d'inductances moulées pour IA CSHN peut être sélectionné. Un bon appariement des produits d'inductance haute performance peut maximiser l'efficacité de conversion de puissance et la stabilité du système des serveurs d'IA.