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Attualmente, l'accelerata implementazione delle applicazioni di intelligenza artificiale ha portato a un notevole aumento del consumo energetico, aumentando direttamente la domanda di alimentazione per i data center. Secondo i dati dell'Agenzia Internazionale dell'Energia del 2023, il consumo energetico globale dei data center rappresenta ora oltre il 3% del consumo elettrico mondiale, e il consumo di potenza di picco di un singolo server GPU A100 ha superato i 10 kW. L'aumento significativo del consumo energetico nei data center ha posto nuove sfide sia in termini di qualità che di quantità dell'alimentazione elettrica. Essendo uno dei componenti importanti nei circuiti di alimentazione dei data center, la scelta degli induttori è cruciale per l'efficienza di conversione e la stabilità operativa e affidabilità dei sistemi di alimentazione.
1- Categorie di alimentazione per data center e tendenze di sviluppo
L'alimentazione dei data center comprende principalmente alimentatori per server, alimentatori ininterrotti UPS, alimentatori in corrente continua ad alta tensione, alimentatori distribuiti/alimentatori modulari, ecc.
1.1 Alimentatore per Server
Nei server per l'intelligenza artificiale, GPU, CPU e chip di accelerazione AI hanno requisiti estremamente elevati riguardo alla stabilità e all'efficienza dell'alimentazione. I server utilizzano tipicamente convertitori DC-DC efficienti per fornire un'uscita di tensione stabile, e le induttanze sono componenti chiave indispensabili nei convertitori DC-DC.
Con l'aumento del budget energetico dei server mentre il volume rimane costante, i requisiti di densità di potenza diventeranno ancora più rigorosi. Le nuove unità di alimentazione per server (PSU) hanno raggiunto quasi 100 W/in³. In futuro, l'alimentazione per server si evolverà verso una maggiore densità di potenza, una maggiore efficienza di conversione e una gestione più intelligente, per soddisfare la crescente domanda di potenza computazionale. Migliorare l'efficienza del convertitore attraverso l'evoluzione della topologia e delle tecnologie dei componenti è la soluzione per raggiungere un'elevata densità di potenza.
1.2 Alimentatore UPS
Gli alimentatori ininterrotti UPS svolgono un ruolo fondamentale nel garantire un'alimentazione continua ai data center. In caso di interruzione di corrente o fluttuazioni di tensione nell'energia elettrica proveniente dalla rete urbana, l'UPS può passare immediatamente alla modalità di alimentazione a batteria (alimentazione continua senza interruzioni), assicurando che le apparecchiature critiche del data center (come server, dispositivi di archiviazione, dispositivi di rete, ecc.) non subiscano alcun impatto.
1.3 Alimentazione in Corrente Continua ad Alta Tensione
I sistemi di alimentazione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) offrono significativi risparmi energetici in applicazioni come i data center. Poiché l'HVDC elimina lo stadio dell'inverter presente negli UPS (alimentatori ininterrotti) tradizionali, l'efficienza di conversione può superare il 95%, riducendo efficacemente il consumo energetico del data center. Secondo dati pertinenti, l'efficienza dell'alimentazione HVDC è superiore del 5% rispetto alle soluzioni UPS tradizionali. Inoltre, poiché l'HVDC non dispone di un inverter, il tempo medio tra i guasti (MTBF) è superiore del 30% rispetto all'UPS. Con la crescente richiesta di maggiore efficienza energetica, riduzione delle emissioni e affidabilità nei data center, la domanda di mercato per alimentatori HVDC continuerà a crescere.
1.4 Alimentazione CC Modulare/Distribuita
Per affrontare le sfide principali dei data center in termini di elevata affidabilità, scalabilità flessibile, ottimizzazione dell'efficienza energetica e efficienza operativa nei sistemi di alimentazione, i server dei data center adottano anche sistemi di alimentazione distribuiti progettati in modo modulare. Gli alimentatori modulari non solo si adattano dinamicamente alle richieste di potenza computazionale, ma garantiscono anche l'isolamento dei guasti attraverso architetture ridondanti, migliorando l'affidabilità del sistema. Inoltre, possono regolare dinamicamente il numero di moduli online in base al carico effettivo per migliorare l'efficienza operativa.
Diagramma schematrico dell'applicazione del data center
2- Requisiti degli induttori per i sistemi di alimentazione dei data center
Nei sistemi di alimentazione dei data center, gli induttori svolgono un ruolo fondamentale. Sfruttando il principio dell'induzione elettromagnetica, impediscono le fluttuazioni di corrente, stabilizzano l'uscita di corrente e hanno un ruolo cruciale nei processi di conversione dell'energia, influenzando l'efficienza energetica e la stabilità del sistema di alimentazione. Diversi circuiti di alimentazione presentano requisiti diversi per gli induttori.
Nei sistemi di alimentazione in corrente alternata, gli induttori sono utilizzati principalmente nei circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC) e nei filtri EMI. Gli induttori PFC devono sopportare correnti transitorie ad alte frequenze (decine di kHz fino a MHz) per evitare la saturazione del nucleo. Questi induttori impiegano materiali compositi metallici per il nucleo, che presentano caratteristiche elettriche come elevata corrente di saturazione, basse perdite nel nucleo e alta stabilità termica. Gli induttori utilizzati nei filtri EMI devono avere capacità di soppressione del rumore ad alta frequenza; gli induttori in modo comune devono sopprimere il rumore nella gamma dei MHz, adottando al contempo un design a bassa dispersione magnetica per ridurre l'interferenza con circuiti sensibili.
Il sistema di alimentazione in corrente continua comprende due scenari: uno è il sistema HVDC (corrente continua ad alta tensione), con una tensione tipica di 240V nel contesto domestico attuale. L'altro è l'alimentazione in corrente continua distribuita (ad esempio alimentazione diretta a 48V). L'alimentazione in corrente continua ad alta tensione richiede induttori con caratteristiche ad alta frequenza, con frequenze di commutazione che raggiungono il livello MHz, utilizzando nuclei magnetici a bassa perdita per supportare una conversione DC-DC efficiente. Gli induttori devono essere progettati per garantire l'isolamento ad alta tensione, al fine di evitare il rischio di rottura dielettrica. Gli induttori devono avere la capacità di sopportare correnti elevate e mantenere un basso innalzamento termico in condizioni di lavoro continue con corrente elevata. Allo stesso tempo, gli induttori devono soddisfare la richiesta di bassa capacità parassita per ridurre i problemi di risonanza ad alta frequenza. Per l'alimentazione in corrente continua distribuita, gli induttori devono avere dimensioni ridotte, elevata densità di potenza e bassa DCR per ridurre le perdite complessive.
Gli induttori nei sistemi UPS sono utilizzati principalmente per il filtraggio dell'uscita dell'inverter e nei circuiti di gestione della carica/scarica della batteria. Il filtraggio dell'uscita dell'inverter richiede induttori con un design compatto e un'elevata densità di potenza, in grado di gestire correnti superiori a 100 A in spazi limitati, rispettando al contempo i requisiti di bassa distorsione armonica. L'effetto di filtraggio può essere ottimizzato attraverso l'uso di nuclei in ferrite abbinati a progetti di avvolgimento multistrato. Gli induttori utilizzati nelle alimentazioni UPS devono inoltre sopportare correnti impulsive e mostrare caratteristiche anti-saturazione durante le fasi transitorie di carica/scarica della batteria; per questo motivo, sono necessari induttori compatti con elevata corrente di saturazione nei sistemi UPS.
I sistemi di alimentazione modulari e distribuiti richiedono induttori che soddisfino requisiti standardizzati e progettuali per il hot-swap, con parametri degli induttori strettamente consistenti, in grado di adattarsi alla dissipazione del calore in spazi chiusi e con un intervallo di temperatura operativa esteso da -40°C a +125°C. Oltre ai tradizionali induttori ad alta corrente e agli induttori integrati, l'uso della tecnologia TLVR può migliorare la capacità di risposta transitoria degli induttori.
Architettura dell'alimentazione nei data center e caratteristiche tecniche (basata su dati online)
3- Tendenze della domanda di induttori per alimentazione nei data center
Con la tendenza verso una maggiore potenza di calcolo, maggiore densità di potenza, frequenze più elevate e una maggiore integrazione nelle apparecchiature dei data center, gli induttori stanno mostrando le seguenti tendenze di sviluppo:
① Alta densità di potenza. L'incremento della potenza dell'hardware di calcolo nei data center per l'intelligenza artificiale aumenta la richiesta di induttori. Gli induttori devono essere in grado di gestire una maggiore potenza nello spazio limitato delle alimentazioni dei server e devono offrire anche una migliore resistenza alle alte temperature.
② Alta frequenza e basse perdite. Le alimentazioni dei data center utilizzano sempre più dispositivi semiconduttori a banda larga come GaN e SiC. Gli induttori devono supportare questi dispositivi ad alta frequenza riducendo le perdite nel nucleo e migliorando l'efficienza di conversione del sistema.
③ Miniaturizzazione e integrazione. Nei data center per l'intelligenza artificiale, i server e le schede acceleratrici AI integrano sempre più unità di calcolo in spazi limitati, rendendo necessaria la miniaturizzazione dei componenti, inclusi gli induttori. Ciò richiede sia dimensioni ridotte sia una maggiore densità di potenza.
④ Alta affidabilità. I sistemi di alimentazione dei data center funzionano in modo continuo e non tollerano interruzioni o tempi di inattività. Oltre ad adottare progetti ridondanti e alimentatori di riserva, l'affidabilità e la stabilità termica dei componenti sono estremamente elevate, e gli induttori selezionati devono anch'essi possedere un'elevata affidabilità.
4-Codaca Gli induttori contribuiscono a migliorare l'efficienza dell'alimentazione nei data center
In qualità di fornitore leader nel settore della tecnologia dei componenti magnetici, Codaca è specializzata nella personalizzazione di soluzioni prodotto per induttori. Gli induttori sviluppati autonomamente da Codaca sono ampiamente utilizzati nei server AI, negli alimentatori per data center e nelle apparecchiature di telecomunicazione.
Per soddisfare le elevate esigenze prestazionali dei componenti elettronici nelle alimentazioni per data center, Codaca ha sviluppato autonomamente diverse linee di prodotto, tra cui induttori ad alta saturazione e ad alta corrente, induttori modellati integrati a bassa perdita e leggeri, induttori di potenza in tecnologia SMD adatti al montaggio ad alta densità, induttori di potenza a bassa induttanza e induttori ad alta frequenza e ad alta corrente. Gli induttori Codaca offrono una corrente di saturazione fino a 350 A, un'efficienza di conversione dell'energia fino al 98% e una temperatura di funzionamento fino a 165 °C. Questi prodotti sono certificati AEC-Q200 e adatti all'uso in ambienti operativi complessi e gravosi.
Grazie a competenze specialistiche nella progettazione di induttori e a solide capacità produttive e di test dei prodotti, Codaca offre un'ampia gamma di induttori a bassa perdita, ad alta efficienza e ad alta affidabilità per alimentatori per server, alimentatori UPS, ecc., contribuendo a migliorare l'efficienza complessiva delle alimentazioni per data center.
I modelli di induttori consigliati per i sistemi di alimentazione dei data center sono i seguenti:
Gli induttori di potenza ad alta corrente Codaca come ad esempio CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , caratterizzati da elevata corrente di saturazione, bassa resistenza in continua, ampio intervallo di frequenza operativa e vasto intervallo di temperatura operativa, soddisfano le esigenze dei sistemi di alimentazione dei data center riguardo a corrente operativa elevata, basse perdite ad alta frequenza e alta densità di potenza.
Induttori di potenza moldati come ad esempio CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , con struttura schermata completamente stampata, elevate prestazioni anti-EMI, bassa resistenza in continua, alta corrente e basse perdite nel nucleo, soddisfano i requisiti dei sistemi di alimentazione dei data center per dimensioni ridotte dell'induttore, alta corrente e prestazioni anti-EMI.
Induttori di potenza SMD come ad esempio SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL , dotati di struttura schermata magnetica, elevate prestazioni anti-EMI, dimensioni compatte e adatti al montaggio ad alta densità.
Induttori di potenza a bassa induttanza serie CSHN sono progettati per l'alimentazione delle GPU. L'induttore CSHN, sviluppato autonomamente da Codaca specificamente per alimentatori server, presenta una struttura completamente schermata, un'elevata resistenza ai disturbi EMI e ottime prestazioni in termini di polarizzazione DC. La nostra serie di induttori ad alta frequenza e alto amperaggio è stata progettata appositamente per applicazioni di alimentazione ad alta corrente, offrendo un'elevata capacità di accumulo energetico, una resistenza DC ultra-bassa e dimensioni compatte, risultando così adatto a VRM e regolatori buck multiphase.
Inoltre, gli induttori Codaca sono ampiamente utilizzati negli switch, router, sistemi di storage e sistemi di monitoraggio dei data center, inclusi induttori ad alto amperaggio, induttori integrati, induttori comuni/superficie montati, e molti altri, tutti personalizzabili flessibilmente in base alle esigenze del cliente. Per maggiori informazioni, contattare il servizio vendite Codaca o visitare il sito web di Codaca.