EN
Collegamenti Rapidi
Con lo sviluppo rapido dell'intelligenza artificiale e delle tecnologie del big data, i server AI, essendo dispositivi ad alta intensità computazionale, svolgono compiti critici in settori come il cloud computing, l'apprendimento profondo, la guida autonoma e i robot intelligenti. Le prestazioni e la stabilità dei server AI dipendono in larga misura dalla progettazione dei loro sistemi di alimentazione. Con l'aumento continuo della domanda di potenza computazionale, le architetture di alimentazione tradizionali stanno progressivamente mostrando difficoltà nel soddisfare le esigenze di un'alimentazione efficiente e stabile, portando all'emergere gradualmente di architetture di alimentazione avanzate, come l'alimentazione distribuita a 48V, la conversione buck multiphase e il controllo digitale, che si affermano come soluzioni mainstream.
1- Principali architetture di alimentazione dei server AI
1.1 Architettura di alimentazione centralizzata
Gli alimentatori centralizzati tradizionali utilizzano un'unica unità di alimentazione (PSU) per convertire la corrente alternata in corrente continua a 12 V, che viene poi distribuita ai vari carichi attraverso la scheda madre. Questi sistemi presentano una progettazione matura, costi ridotti e sono facili da gestire in modo uniforme. Tuttavia, con l'aumento della potenza computazionale dei server AI, i loro svantaggi diventano evidenti: il lungo percorso di trasmissione a 12 V provoca un significativo aumento delle perdite per conduzione (I²R); la larghezza di banda della regolazione della tensione è limitata, influendo sulla velocità di risposta dinamica; risultano inadeguati nel gestire variazioni di carico brusche su scala nanosecondi tipiche di CPU/GPU; la ridondanza del sistema è scarsa e un guasto di un singolo modulo di alimentazione può portare al blocco dell'intero sistema, compromettendone l'affidabilità.
1.2 Architettura di Alimentazione Distribuita (DPA)
L'architettura di alimentazione distribuita è diventata la scelta preferita per i grandi server AI. Il suo nucleo prevede l'utilizzo di un bus intermedio a 48V. Le PSU forniscono in uscita una tensione continua a 48V, sfruttando le caratteristiche di alta tensione di trasmissione e bassa corrente per ridurre significativamente le perdite energetiche nei percorsi di distribuzione. Vicino ai carichi principali come CPU e GPU, vengono installati convertitori Point-of-Load (POL) per convertire direttamente i 48V nelle basse tensioni richieste (ad esempio, 0,8V-1,8V), realizzando un'alimentazione localizzata e precisa, che migliora notevolmente la velocità di risposta transitoria e la precisione della regolazione della tensione.
architettura di alimentazione distribuita a 48V (Fonte dell'immagine: Internet)
1.3 Architettura di conversione buck multiphase
È la soluzione implementativa specifica per l'alimentazione di carichi estremamente ad alta potenza (come CPU/GPU) tramite POL. Alternando il funzionamento di più circuiti buck sincroni in parallelo per alimentare un singolo processore, i suoi vantaggi includono: riduzione dello stress e delle perdite termiche per corrente su ogni fase dopo la divisione della corrente; regolarizzazione efficace dell'ondulazione della corrente in uscita attraverso il funzionamento interlacciato multiphase, riducendo la dipendenza dai condensatori di disaccoppiamento; e attivazione/disattivazione dinamica del numero di fasi in base al consumo energetico del processore per ottimizzare l'efficienza a carico parziale.
1.4 Architettura digitale di controllo dell'alimentazione
Sostituendo alcuni circuiti analogici con processori di segnale digitale (DSP) o microcontrollori (MCU), si ottiene una gestione intelligente dell'alimentazione. Ciò consente non solo l'implementazione di algoritmi di controllo più complessi e flessibili per ottimizzare la risposta dinamica e l'efficienza energetica, ma supporta anche il monitoraggio in tempo reale, la regolazione dei parametri, la previsione dei guasti e la gestione remota (ad esempio basata su protocolli PMBus/I2C) tramite software. Le soluzioni avanzate adottano spesso una modalità ibrida di gestione digitale + risposta rapida analogica, bilanciando intelligenza e velocità.
1.5 Alimentatore Modulare
Ampiamente utilizzati nei server AI a livello di data center. I moduli di alimentazione standardizzati (ad esempio CRPS) supportano la sostituzione a caldo, la ridondanza N+1 e la manutenzione in linea, garantendo un'elevatissima disponibilità delle operazioni aziendali. Le loro funzioni intelligenti consentono di regolare dinamicamente il numero di moduli abilitati in base alle condizioni di carico, evitando un funzionamento inefficiente a carico ridotto e migliorando significativamente l'efficienza energetica complessiva dei data center.
2- Sfide poste agli induttori dall'evoluzione dell'architettura di alimentazione dei server AI
L'innovazione nell'architettura di alimentazione dei server AI ha imposto requisiti di prestazioni più rigorosi sugli induttori, spingendo la tecnologia degli induttori a stare al passo con i progressi della progettazione dell'alimentazione. I prodotti induttore devono soddisfare le seguenti esigenze.
① Bassa resistenza in corrente continua: Le attuali esigenze dei server AI ad alte prestazioni sono notevolmente aumentate, richiedendo induttori con elevata capacità di conduzione della corrente e un'eccellente gestione termica. Quando gli induttori trasportano correnti elevate, generano calore. Una scarsa dissipazione del calore può portare a un degrado delle prestazioni o persino al malfunzionamento del materiale dell'induttore, compromettendo la stabilità dell'alimentazione. Pertanto, la progettazione a bassa resistenza in corrente continua (DCR) è diventata un parametro fondamentale per gli induttori, riducendo efficacemente le perdite energetiche e l'aumento di temperatura, consentendo all'induttore di offrire un'elevata affidabilità nelle applicazioni ad alta corrente.
② Alta Frequenza, Basse Perdite: Le alimentazioni per server moderni basati su IA richiedono livelli di efficienza del 97% o addirittura del 99%, con i trasformatori induttivi che rappresentano una parte significativa delle perdite nel sistema. Con l'aumento continuo delle frequenze di conversione dell'energia, gli induttori devono bilanciare prestazioni ad alta frequenza ed elevata efficienza, minimizzando le perdite per correnti parassite e per isteresi. L'aumento delle perdite causato dalle correnti ad alta frequenza richiede un'ottimizzazione continua dei materiali e delle strutture degli induttori per soddisfare i requisiti relativi a un'ampia gamma di frequenze e a un'elevata efficienza.
③ Miniaturizzazione e design sottile: I server AI hanno uno spazio interno limitato, richiedendo una ulteriore riduzione delle dimensioni dell'induttore mantenendone le prestazioni. La miniaturizzazione e il design sottile rappresentano le tendenze future nello sviluppo degli induttori. Attraverso l'uso di materiali magnetici ad alta densità e tecniche avanzate di formatura, gli induttori possono essere resi più piccoli riducendone anche il peso, facilitando il montaggio ad alta densità ed effettivamente risparmiando prezioso spazio sulla PCB. Inoltre, questi progetti devono bilanciare resistenza meccanica e prestazioni termiche per prevenire un degrado delle prestazioni in ambienti complessi.
④ Alta affidabilità: I server AI operano tipicamente in ampie gamme di temperatura e condizioni di carico continuo prolungato. Gli induttori devono presentare una buona adattabilità alla temperatura e una stabilità affidabile, essendo in grado di resistere efficacemente agli effetti delle alte temperature e dei cambiamenti ambientali per garantire un funzionamento continuo e stabile dell'apparecchiatura.
⑤ Prestazioni EMI: La struttura di schermatura magnetica può efficacemente sopprimere i danni provocati dall'interferenza elettromagnetica su componenti o linee di segnale vicine, garantendo un'elaborazione precisa dei segnali deboli da parte del server. Gli induttori ad alte prestazioni EMI possono ridurre l'inquinamento ambientale elettromagnetico e migliorare la capacità complessiva del sistema di resistere alle interferenze.
⑥ Progettazione a basso rumore: Con la crescente richiesta di controllo del rumore nei server, anche il ronzio degli induttori è diventato un aspetto importante. Il rumore generato dalle vibrazioni dell'induttore stesso influisce sull'ambiente del data center e sull'esperienza utente. In particolare nelle sale server dei grandi data center cloud, l'importanza di una progettazione a basso rumore non può essere trascurata. La tecnologia degli induttori stampati e la regolazione della frequenza di risonanza offrono soluzioni efficaci per ridurre il ronzio, migliorando significativamente l'adattabilità ambientale delle alimentazioni per server.
In sintesi, le induttanze devono affrontare numerose sfide nei sistemi di alimentazione dei server AI, tra cui corrente elevata, dimensioni ridotte, alta frequenza, forte resistenza alle interferenze, ampia adattabilità alla temperatura e basso rumore. Per soddisfare i rigorosi requisiti applicativi dettati dalle nuove tendenze, è necessario un progresso continuo attraverso l'innovazione dei materiali, l'ottimizzazione strutturale e il miglioramento dei processi.
3- Applicazione e raccomandazioni per la selezione delle induttanze nelle alimentazioni dei server AI
Le induttanze nelle alimentazioni dei server AI svolgono diverse funzioni, come filtraggio, blocco, stabilizzazione di tensione e corrente e soppressione del rumore. Per soddisfare i requisiti di elevate prestazioni e alta affidabilità dei server AI imposti dalle nuove tendenze, la selezione della giusta induttanza risulta fondamentale. Codaca si è concentrata su soluzioni di induttori ad alta affidabilità e ha lanciato diversi prodotti di induttori ad alte prestazioni per server AI e dispositivi intelligenti correlati, coprendo varie categorie come induttori di potenza a corrente estremamente elevata, induttori di potenza compatti ad alta corrente e induttori stampati a bassa induttanza ad alta corrente.
Tra questi, il induttore compatto ad alta corrente serie CSBA adotta il materiale del nucleo magnetico in polvere magnetica sviluppato autonomamente da Codaca, caratterizzato da perdite nel nucleo estremamente ridotte, eccellenti caratteristiche di corrente di saturazione morbida e proprietà di bassa perdita ad alta frequenza. Il design sottile consente un risparmio di spazio di installazione, risultando adatto a requisiti di montaggio ad alta densità. Con un intervallo di temperatura operativa da -55 ℃ a +170 ℃, è in grado di adattarsi a ambienti di lavoro ad alta temperatura. Gli induttori della serie CSBA soddisfano i requisiti prestazionali delle alimentatori GaN per induttori con basse perdite ad alta frequenza, elevata densità di potenza e ampia gamma di temperature, ed sono ampiamente utilizzati in moduli principali come convertitori DC-DC e regolatori a commutazione.
La induttori stampati della serie CSHN , progettati specificamente per applicazioni AI, adottano una struttura stampata con rumore acustico estremamente basso. Presentano induttanza ultra-bassa, resistenza continua estremamente ridotta, eccellenti caratteristiche di saturazione morbida e elevata capacità di corrente. I prodotti utilizzano un design sottile per soddisfare le esigenze di miniaturizzazione e impacchettamento ad alta densità per chip AI e moduli di alimentazione. La gamma di temperatura operativa è da -40℃ a +125℃, rispondendo ai rigorosi requisiti dei dispositivi di calcolo intelligente.
Quando selezionano i componenti, gli ingegneri devono considerare le caratteristiche del carico, la corrente, le dimensioni, la frequenza operativa e le condizioni di raffreddamento del server AI per scegliere il modello di induttore più adatto. Ad esempio, in chassis server compatti con spazio limitato, la Serie CSBA di induttori di potenza compatti ad alta corrente sarebbe una scelta ideale. Per soddisfare i requisiti delle applicazioni AI in termini di bassa induttanza, alta corrente e dimensioni ridotte, la Serie di induttori stampati AI CSHN può essere selezionato. Una corretta abbinabilità con prodotti inductor ad alte prestazioni può massimizzare l'efficienza di conversione dell'energia e la stabilità del sistema dei server AI.