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Com o rápido desenvolvimento das tecnologias de inteligência artificial e big data, os servidores AI, como dispositivos intensivos em computação, desempenham tarefas críticas em áreas como computação em nuvem, aprendizado profundo, condução autônoma e robôs inteligentes. O desempenho e a estabilidade dos servidores AI dependem em grande parte do design de seus sistemas de alimentação. À medida que as demandas de capacidade computacional continuam aumentando, as arquiteturas de alimentação tradicionais estão gradualmente enfrentando dificuldades para atender às necessidades de fornecimento de energia eficiente e estável, levando à emergência gradual de arquiteturas avançadas de alimentação, como a alimentação distribuída de 48V, conversão buck multiphase e controle digital, como soluções principais.
1- Principais Arquiteturas de Alimentação de Servidores AI
1.1 Arquitetura de Alimentação Centralizada
As fontes de alimentação centralizadas tradicionais utilizam uma única unidade de fonte de alimentação (PSU) para converter energia CA em energia CC de 12 V, que é então distribuída para várias cargas através da placa-mãe. Elas possuem um design maduro, baixo custo e são fáceis de gerenciar uniformemente. No entanto, com o aumento do poder computacional dos servidores de IA, suas desvantagens tornam-se evidentes: o longo percurso de transmissão em 12 V leva a um aumento significativo na perda por condução (I²R); a largura de banda de regulação de tensão é limitada, afetando a velocidade de resposta dinâmica; é difícil lidar com mudanças bruscas de carga em nível de nanossegundo no CPU/GPU; a redundância do sistema é fraca, e a falha de um único módulo de alimentação pode levar à queda de todo o sistema, comprometendo a confiabilidade.
1.2 Arquitetura de Alimentação Distribuída (DPA)
A arquitetura de potência distribuída tornou-se a escolha preferida para grandes servidores de IA. Seu núcleo é o uso de uma fonte de alimentação com barramento intermediário de 48V. As fontes (PSUs) fornecem 48V CC, aproveitando as características de alta tensão de transmissão e baixa corrente de transmissão para reduzir significativamente as perdas de energia nos caminhos de distribuição. Próximo às cargas principais, como CPUs e GPUs, conversores Point-of-Load (POLs) são implantados para converter diretamente os 48V nas baixas tensões necessárias (por exemplo, 0,8V–1,8V), alcançando um fornecimento de energia localizado e refinado, o que aumenta consideravelmente a velocidade de resposta transitória e a precisão do regulador de tensão.
arquitetura de Potência Distribuída de 48V (Fonte da imagem: Internet)
1.3 Arquitetura de conversão buck multiphase
É a solução de implementação específica para POL alimentar cargas de potência extremamente alta (como CPUs/GPUs). Ao operar alternadamente vários circuitos buck síncronos em paralelo para fornecer energia a um único processador, suas vantagens incluem: reduzir a tensão de corrente e as perdas térmicas por fase após a divisão da corrente; suavizar efetivamente a ondulação da corrente de saída por meio da operação entrelaçada multiphase, reduzindo a dependência de capacitores de desacoplamento; e habilitar/desabilitar dinamicamente o número de fases com base no consumo de energia do processador para otimizar a eficiência em cargas leves.
1.4 Arquitetura de controle de potência digital
Ao substituir alguns circuitos analógicos por processadores de sinal digital (DSPs) ou microcontroladores (MCUs), alcança um gerenciamento inteligente de energia. Isso não só permite algoritmos de controle mais complexos e flexíveis para otimizar a resposta dinâmica e a eficiência energética, mas também suporta monitoramento em tempo real, ajustes de parâmetros, previsão de falhas e gerenciamento remoto (como com base em protocolos PMBus/I2C) por meio de software. Projetos avançados geralmente adotam um modo híbrido de gerenciamento digital + resposta rápida analógica, equilibrando inteligência e velocidade.
1.5 Fonte de Alimentação Modular
Amplamente utilizado em servidores de IA em nível de centro de dados. Módulos de alimentação padronizados (como CRPS) suportam troca a quente, redundância N+1 e manutenção online, garantindo alta disponibilidade das operações comerciais. Suas funções inteligentes permitem o ajuste dinâmico do número de módulos ativados com base nas condições de carga, evitando operação ineficiente sob cargas leves e melhorando significativamente a eficiência energética geral dos centros de dados.
2- Desafios impostos aos indutores pela evolução da arquitetura de alimentação de servidores de IA
A inovação na arquitetura de alimentação de servidores de IA impôs requisitos de desempenho mais rigorosos aos indutores, levando a tecnologia de indutores a acompanhar os avanços no design de alimentação. Os produtos indutores devem atender às seguintes demandas.
① Baixa resistência CC: As exigências atuais dos servidores de IA de alto desempenho aumentaram significativamente, exigindo que os indutores possuam alta capacidade de condução de corrente e excelente desempenho de gerenciamento térmico. Quando os indutores conduzem grandes correntes, geram calor. Uma dissipação térmica inadequada pode levar à degradação do desempenho ou até à falha do material do indutor, afetando a estabilidade da fonte de alimentação. Portanto, o design com baixa resistência em corrente contínua (DCR) tornou-se um parâmetro crítico para indutores, reduzindo efetivamente as perdas de energia e a elevação de temperatura, permitindo que o indutor demonstre confiabilidade excepcional em aplicações de alta corrente.
② Alta Frequência, Baixa Perda: As fontes de alimentação modernas para servidores de IA exigem níveis de eficiência de 97% ou até 99%, sendo os transformadores indutivos responsáveis por uma parcela significativa das perdas no sistema. À medida que as frequências de conversão de potência continuam aumentando, os indutores devem equilibrar desempenho em alta frequência com alta eficiência, minimizando perdas por correntes parasitas e histerese. Os aumentos nas perdas provocados por correntes de alta frequência exigem a otimização contínua dos materiais e estruturas dos indutores para atender aos requisitos de uma ampla faixa de frequência e alta eficiência.
③ Miniaturização e Design Fino: Os servidores de IA possuem espaço interno limitado, exigindo uma redução adicional do tamanho dos indutores sem comprometer o desempenho. A miniaturização e o design fino são tendências futuras no desenvolvimento de indutores. Com o uso de materiais magnéticos de alto desempenho e técnicas avançadas de moldagem, os indutores podem ser tornados menores e mais leves, facilitando a montagem em alta densidade e economizando efetivamente espaço valioso na placa de circuito impresso (PCB). Além disso, esses designs devem equilibrar resistência mecânica e desempenho térmico para evitar degradação de desempenho em ambientes complexos.
④ Alta confiabilidade: Os servidores de IA normalmente operam em amplas faixas de temperatura e sob condições de carga contínua prolongada. Os indutores precisam apresentar boa adaptabilidade térmica e estabilidade confiável, sendo capazes de resistir efetivamente aos efeitos de altas temperaturas e mudanças ambientais, garantindo assim o funcionamento contínuo e estável dos equipamentos.
⑤ Desempenho EMI: A estrutura de blindagem magnética pode efetivamente suprimir os danos causados pela interferência eletromagnética a componentes próximos ou linhas de sinal, garantindo o processamento preciso de sinais fracos pelo servidor. Os indutores com alto desempenho em EMI podem reduzir a poluição ambiental eletromagnética e aumentar a capacidade anti-interferência de todo o sistema.
⑥ Design de baixo ruído: Com a crescente demanda por controle de ruído em servidores, o zumbido dos indutores também se tornou um ponto de atenção. O ruído gerado pela vibração do próprio indutor afeta o ambiente do centro de dados e a experiência do usuário. Especialmente em salas de servidores de grandes centros de dados em nuvem, a importância do design de baixo ruído não pode ser ignorada. A tecnologia de indutores moldados e o ajuste da frequência de ressonância oferecem soluções eficazes para reduzir o ruído zumbido, melhorando significativamente a adaptabilidade ambiental das fontes de alimentação dos servidores.
Em resumo, os indutores enfrentam diversos desafios nos sistemas de alimentação de servidores de IA, incluindo alta corrente, tamanho reduzido, alta frequência, forte imunidade a interferências, ampla adaptação à temperatura e baixo ruído. Para atender aos rigorosos requisitos de aplicação sob novas tendências, é necessário um progresso contínuo por meio da inovação de materiais, otimização estrutural e atualizações de processo.
3- Aplicações e Recomendações de Seleção para Indutores em Fontes de Alimentação de Servidores de IA
Os indutores nas fontes de alimentação de servidores de IA desempenham múltiplas funções, como filtragem, reatores, estabilização de tensão e corrente e supressão de ruídos. Diante dos requisitos de alto desempenho e alta confiabilidade dos servidores de IA nas novas tendências, a seleção do indutor adequado é crucial. Codaca tem se concentrado em soluções de indutores de alta confiabilidade e lançou múltiplos produtos de indutores de alto desempenho para servidores de IA e dispositivos inteligentes relacionados, cobrindo diversas categorias como indutores de potência de corrente extremamente alta, indutores de potência compactos de alta corrente e indutores moldados de baixa indutância e alta corrente.
Entre elas, a indutor de potência de alta corrente compacta da série CSBA adota material de núcleo magnético com pó magnético desenvolvido pela Codaca, caracterizando-se por perda extremamente baixa no núcleo, excelentes características de corrente de saturação suave e propriedades de baixa perda em alta frequência. Seu design fino economiza espaço de instalação, tornando-o adequado para requisitos de montagem de alta densidade. Faixa de temperatura operacional de -55 ℃ a +170 ℃, podendo adaptar-se a ambientes de trabalho em alta temperatura. Os indutores da série CSBA atendem aos requisitos de desempenho dos indutores para fontes de alimentação GaN com baixa perda em alta frequência, alta densidade de potência e ampla faixa de temperatura, sendo amplamente utilizados em módulos principais como conversores DC-DC e reguladores de comutação.
A indutores moldados da série CSHN , projetados especificamente para aplicações de IA, adotam uma estrutura moldada com ruído extremamente baixo. Apresentam indutância ultra-baixa, resistência DC extremamente reduzida, excelentes características de saturação suave e alta capacidade de condução de corrente. Os produtos utilizam um design fino para atender às demandas de miniaturização e empacotamento de alta densidade para chips de IA e módulos de potência. A faixa de temperatura operacional é de -40 ℃ a +125 ℃, atendendo aos requisitos rigorosos dos dispositivos de computação inteligente.
Ao selecionar componentes, os engenheiros precisam considerar as características da carga, corrente, dimensão, frequência operacional e condições de refrigeração do servidor de IA para escolher o modelo de indutor mais adequado. Por exemplo, em chassis de servidores compactos com espaço limitado, os Indutores de potência compactos de alta corrente da série CSBA seriam uma escolha ideal. Para atender aos requisitos das aplicações de IA quanto a baixa indutância, alta corrente e pequeno tamanho, os Indutores moldados para IA da série CSHN pode ser selecionado. A correta combinação de produtos de indutores de alto desempenho pode maximizar a eficiência de conversão de energia e a estabilidade do sistema dos servidores de IA.