EN
Быстрые ссылки
Взрывной рост рабочих нагрузок искусственного интеллекта кардинально изменил требования к проектированию серверных систем питания. По мере того как графические процессоры (GPU), центральные процессоры (CPU) и специализированные ускорители ИИ (xPU) размещают всё больше транзисторов в одном корпусе, мощность, подаваемая на борту этих устройств, достигает сотен и даже тысяч ватт на сокет. Чтобы соответствовать этим требованиям, модули регулирования напряжения (VRM) и преобразователи непосредственно у нагрузки (PoL), питающие эти процессоры, вынуждены работать при более высокой плотности тока и обеспечивать более быстрый переходный отклик, чем когда-либо ранее в истории серверов.
В основе каждого из этих силовых каскадов находится, на первый взгляд, простой компонент — силовой дроссель. Дроссель отнюдь не является товарным элементом: он превратился в один из ключевых факторов успеха; при неправильном выборе — в один из ключевых узких мест архитектуры питания серверов ИИ. В этой статье рассматриваются эволюция систем питания серверов ИИ, требования, предъявляемые этой эволюцией к дросселям, параметры, которые инженеры должны наиболее тщательно оценивать при выборе, а также то, как специализированные семейства дросселей, такие как серии CSBA и CSHN от CODACA, практически удовлетворяют эти требования.
Традиционные силовые цепи серверов уступают место архитектурам, построенным вокруг четырёх параллельных тенденций:
◾Распределение постоянного тока высокого напряжения. Многие серверные стойки нового поколения переходят от устаревшего распределения 12 В к шинам постоянного тока 48 В, что снижает потери I²R на магистральной плате до того, как напряжение понижается на уровне печатной платы.
◾Распределённое преобразование на точке нагрузки. Вместо одного централизованного преобразователя мощность теперь регулируется вблизи каждого процессора посредством нескольких ступеней PoL, каждая из которых оснащена собственным набором дросселей.
◾Цифровое управление. Цифровые ШИМ-контроллеры с быстрыми контурами обратной связи позволяют преобразователям реагировать на резкие скачки нагрузки, характерные для рабочих нагрузок GPU.
◾Интеллектуальное управление питанием. Этапы питания с телеметрическим управлением динамически корректируют количество фаз и поведение переключения в зависимости от текущих условий нагрузки.
Каждое конструктивное изменение предъявляет новые требования к производительности дросселей, превращая выбор дросселей в ключевое проектное решение, а не второстепенную задачу. Почему дроссели играют решающую роль в системах электропитания серверов ИИ.
Дроссели питания находятся в начале цепочки подачи питания на чипы, обеспечивая стабильный и низкошумный ток для кремниевых компонентов, выполняющих вычисления ИИ. Они одновременно выполняют несколько функций на всем пути подачи питания в серверах ИИ:
◾ Регулирование энергосбережения и напряжения в понижающих, многофазных и TLVR-топологиях преобразователей, питающих GPU, CPU и ускорительные платы.
◾ Сглаживание пульсаций чтобы высокоскоростные ступени постоянного тока-постоянный ток обеспечивали чистый и стабильный выходной ток, а не зашумлённую форму сигнала, способную нарушить устойчивость чувствительной цифровой логики.
◾ Фильтрация сигналов и подавление шумов , где дроссели для подавления синфазных помех и индуктивности для подавления дифференциальных помех работают совместно с конденсаторами, удаляя высокочастотные пульсации из первичной ступени переменный ток-постоянный ток и обеспечивая целостность высокоскоростных сигналов.
Поскольку индуктивности присутствуют почти на каждой ступени преобразования энергии в сервере искусственного интеллекта — от входной ступени переменный ток-постоянный ток на уровне стойки до питающей шины процессора с напряжением менее 1 В — их электрические и тепловые характеристики оказывают чрезмерное влияние на общую эффективность, стабильность и надёжность системы.
По сравнению с индуктивностями, используемыми в обычных серверах, индуктивности для серверов ИИ должны удовлетворять более жёсткому и взаимосвязанному набору требований:
2.1 Низкое сопротивление постоянному току (DCR) при работе с высокими токами. Потребляемый ток современных ускорителей искусственного интеллекта резко возрос, и дроссели должны пропускать этот ток с минимальными резистивными потерями. Высокое значение DCR напрямую приводит к увеличению тепловыделения по закону Джоуля–Ленца (I²R); если это тепло не отводится эффективно, магнитный материал может деградировать или дроссель выйдет из строя полностью, что поставит под угрозу стабильность шины питания. Поэтому низкое значение DCR рассматривается как базовый параметр проектирования, а не как дополнительная опция.
2.2 Работа на высокой частоте с низкими потерями в сердечнике. Источники питания серверов ИИ обычно требуют КПД преобразования, приближающегося к 99 %. По мере роста частоты переключения для передачи большей мощности в меньшем объёме потери в сердечнике и обмотке одновременно возрастают, если только магнитный материал и геометрия катушки не оптимизированы специально для работы на высокой частоте.
2.3 Миниатюризация без потери производительности. Площадь печатной платы внутри сервера на базе ИИ ограничена, поэтому силовые каскады необходимо размещать как можно ближе к процессору, чтобы минимизировать паразитную индуктивность. Это заставляет разработчиков дросселей использовать магнитные материалы высокой плотности и литые однокомпонентные конструкции, которые уменьшают занимаемую площадь и высоту при сохранении способности выдерживать высокие токи — важный фактор при поверхностном монтаже в условиях высокой плотности компоновки.
◾ Высокая надёжность в течение длительного срока службы. Серверы на базе ИИ работают с высокой загрузкой практически круглосуточно. Дроссели в такой среде должны обеспечивать стабильные электрические характеристики в течение всего срока эксплуатации при постоянных тепловых и электрических нагрузках.
◾ Эффективное подавление ЭМП. Магнитно экранированная конструкция ограничивает магнитный поток пределами самого компонента, снижая излучаемые помехи и способствуя выполнению системой требований по электромагнитной совместимости — это становится всё более важным фактором по мере роста плотности мощности на уровне печатной платы.
При выборе подходящих дросселей для серверов искусственного интеллекта и плат высокопроизводительных вычислений инженеры обычно сосредотачиваются на трёх ключевых электрических параметрах — токе насыщения, постоянном сопротивлении (DCR) и токе, вызывающем повышение температуры, — при этом учитываются также более широкий набор критериев надёжности и помехоустойчивости.
Нагрузки GPU известны резкими переходными процессами; скорость изменения тока (di/dt) при скачке нагрузки может достигать порядка 100 А/мкс. Если сердечник дросселя насыщается в ходе такого переходного процесса, индуктивность резко падает, и контур управления преобразователя может потерять регулирование, что угрожает стабильности системы. Поэтому запас по току насыщения — а не только номинальный ток в установившемся режиме — является критически важным критерием выбора дросселей для силовых каскадов серверов ИИ.
DCR — это основной фактор потерь меди и, как следствие, общей эффективности преобразователя. Поскольку DCR напрямую влияет на эффективность, инженеры всё чаще выбирают дроссели с намоткой из плоского провода вместо традиционной конструкции с круглым проводом; конструкции с плоским проводом позволяют снизить DCR более чем на 30 % по сравнению с аналогами на основе круглого провода при сопоставимых габаритах, что напрямую обеспечивает меньшие потери мощности и более низкую рабочую температуру.
Серверы на базе ИИ часто работают под высокой нагрузкой круглосуточно, поэтому запас по температуре не является опциональным. При выборе необходимо убедиться, что номинальный ток нагрева дросселя превышает максимальный длительный рабочий ток схемы, при этом должен сохраняться достаточный проектный запас для наихудших условий окружающей среды и воздушного потока.
Частоты переключения VRM в серверах ИИ изменились: в устаревших конструкциях они составляли примерно 300 кГц, а сейчас достигают диапазона от 1 до 3 МГц и выше. Прямое следствие — значительное снижение требуемого значения индуктивности и, соответственно, физических размеров дросселя. Однако в условиях высокого тока и высокой плотности мощности, характерных для серверов ИИ, повышение частоты переключения также увеличивает как потери в обмотке переменного тока, так и потери в сердечнике. Поэтому преимущества более высокой частоты должны сочетаться с магнитным материалом, специально разработанным для минимизации потерь на высоких частотах.
Помимо этих четырёх ключевых параметров, инженеры учитывают конструкцию магнитного экранирования, данные о долгосрочной надёжности и достижимую плотность мощности в заданных габаритах при комплексной оценке. На практике правильный выбор дросселя зависит от точного соответствия профиля нагрузки, величины тока, частоты переключения и тепловых условий каждой шины питания сервера ИИ продукту, спроектированному именно для этой комбинации.
Различные этапы цепи питания серверов ИИ требуют различных технологий конструкции дросселей:
◾ Мощные катушки индуктивности с высоким током являются основными компонентами систем подачи питания для GPU, CPU и карт-акселераторов; они обеспечивают высокую величину тока насыщения, устойчивую работу при больших токах с минимальным нагревом, благоприятные характеристики потерь на высоких частотах, а также используют магнитные материалы с низкими потерями, такие как феррит или порошковые металлические сплавы.
◾ Формованные силовые дроссели полностью интегрируют обмотку и сердечник посредством процесса прессования с использованием магнитного порошка, что снижает утечку магнитного потока и улучшает поведение при токе насыщения. Такая конструкция обычно обеспечивает более высокую плотность мощности и более эффективное подавление ЭМП по сравнению с традиционными намотанными дросселями, что делает её особенно подходящей для высокоэффективных преобразователей постоянного тока и шин питания CPU/GPU, где критически важна экономия места на плате.
◾ Дроссели TLVR (Trans-Inductor Voltage Regulator) использует связанную двухобмоточную структуру для упрощения проектирования многофазных преобразователей и сокращения количества компонентов на печатной плате. Для шин низкого напряжения, высокого тока и быстрого переходного процесса, характерных для ускорителей ИИ, конструкции TLVR позволяют улучшить реакцию на переходные процессы и снизить пульсации выходного напряжения, одновременно уменьшая требуемую ёмкость выходного конденсатора — что даёт ощутимую экономию стоимости и места на уровне всей системы.
CODACA разработала свою линейку дросселей именно под указанные выше требования: созданы собственные магнитные порошковые сердечниковые материалы и технологии формовки в виде цельных изделий, ориентированные на высокотоковые, высоконасыщаемые, высокочастотные с низкими потерями и компактные решения для серверов ИИ и связанного с ними интеллектуального вычислительного оборудования. Две серии демонстрируют, как эти принципы проектирования воплощаются в реальные компоненты для цепей питания ИИ.
Трубы Серия CSBA создан на основе магнитного сердечникового материала из сплавленного порошка, разработанного самостоятельно компанией CODACA, и предназначен для применений, где критически важны как компактность печатной платы, так и высокая эффективность на высоких частотах:
Трубы Серия CSBA Собственный сердечник из сплавленного порошка с очень низкими потерями в сердечнике, характеристика «плавного насыщения» по току для стабильной работы при переходных нагрузках, низкие потери на высоких частотах, подходит для решений силовой электроники на основе GaN. Сочетание низких потерь в сердечнике и высокой эффективности на высоких частотах делает серию CSBA практичным выбором для преобразователей постоянного тока (DC-DC) и импульсных стабилизаторов напряжения, работающих на повышенных частотах, характерных для современных VRM-каскадов серверов искусственного интеллекта, включая решения на основе GaN.
5.2 Серия CSHN Формовочный дроссель питания для ускорителей ИИ
Трубы Серия CSHN это формованный силовой дроссель для сверхнизковольтных, высокоточных линий питания, расположенных ближе всего к кристаллам процессоров ИИ. Серия CSHN Диапазон индуктивности составляет от 56 до 82 нГн; минимальное значение сопротивления постоянному току (DCR) — примерно 0,19 мОм у типовых компонентов. Благодаря сверхнизкому значению индуктивности, чрезвычайно низкому DCR и высокой способности пропускать ток в компактном литом корпусе серия CSHN напрямую отвечает требованиям миниатюризации и высокоплотного монтажа модулей питания для ИИ-чипов, а расширенный диапазон рабочих температур обеспечивает устойчивость к продолжительной тепловой нагрузке, характерной для аппаратных средств интеллектуальных вычислений.
5.3 Подбор индуктора под конкретное применение
Для инженеров, проектирующих цепи питания серверов на базе ИИ, практический вывод заключается в том, что выбор индуктора следует начинать с анализа электрических и тепловых характеристик конкретной цепи питания, а не с поиска в общем ключе «индукторы высокого тока»:
◾В местах установки внутри шасси или на плате, где пространство строго ограничено, но требования к току и частоте остаются высокими, компактные серии высокотоковых индукторов, такие как Серия CSBA является сильным кандидатом.
◾Для сверхнизковольтных, маловолновых, высокоточных шин питания ИИ-чипов напрямую — где минимизация площади занимаемого места и сопротивления постоянному току (DCR) имеет первостепенное значение — лучше всего подходит литой чип-дроссель, например Серия CSHN подходит для этих требований.
◾Для многофазных шин ядра GPU с быстрыми переходными процессами Дроссель на основе TLVR может обеспечить системные преимущества в скорости реакции на переходные процессы и в количестве выходных конденсаторов, которых не может достичь обычный однозаходный дроссель.
Системы электропитания серверов ИИ решительно перешли к распределению энергии при более высоком напряжении, локальному преобразованию непосредственно у нагрузки (point-of-load), а также коммутационным частотам в диапазоне нескольких мегагерц — всё это при непрерывной работе в условиях высокой загрузки. Такое сочетание предъявляет одновременные требования к силовым дросселям: низкое сопротивление постоянному току (DCR), высокий ток насыщения, низкие потери на высоких частотах, компактные габариты, эффективная экранировка от ЭМП и долговременная надёжность.
Выбор подходящего семейства дросселей и конкретной модели внутри этого семейства для каждой шины питания больше не является рутинным решением при составлении спецификации компонентов, а представляет собой важный инструмент повышения эффективности преобразования энергии в серверах искусственного интеллекта и общей стабильности системы. Специально разработанные линейки продукции, такие как серии CSBA и CSHN от CODACA — а также более широкие технологии дросселей с высоким током, литых дросселей и дросселей TLVR, которые они представляют, — демонстрируют, как поставщики магнитных компонентов реагируют на эти требования по мере масштабирования вычислений ИИ.
Для получения подробных электрических характеристик, чертежей габаритных размеров и запросов образцов посетите Официальный веб-сайт CODACA ：https://www.codaca.com.cn/.