EN
Быстрые ссылки
В настоящее время ускоренное внедрение приложений ИИ привело к значительному росту потребления электроэнергии, что напрямую увеличило спрос на электропитание для центров обработки данных. Согласно данным Международного энергетического агентства за 2023 год, потребление электроэнергии глобальными центрами обработки данных сейчас составляет более 3% от общемирового потребления электроэнергии, а пиковое энергопотребление одного сервера с GPU A100 превысило 10 кВт. Значительный рост потребления электроэнергии центрами обработки данных создаёт новые вызовы как в отношении качества, так и количества подаваемой мощности. Поскольку катушки индуктивности являются одним из важных компонентов силовых цепей центров обработки данных, их выбор имеет решающее значение для эффективности преобразования энергии, а также для эксплуатационной стабильности и надёжности систем электропитания центров обработки данных.
1- Категории систем электропитания центров обработки данных и тенденции их развития
Электропитание центра обработки данных включает в себя источники питания серверов, ИБП (источники бесперебойного питания), источники питания постоянного тока высокого напряжения, распределённые источники питания/модульные источники питания и т.д.
1.1 Источник питания сервера
В серверах ИИ графические процессоры, центральные процессоры и чипы ускорения ИИ предъявляют крайне высокие требования к стабильности и эффективности источника питания. Серверы обычно используют эффективные преобразователи постоянного тока (DC-DC) для обеспечения стабильного выходного напряжения, а катушки индуктивности являются незаменимыми ключевыми компонентами в таких преобразователях.
По мере увеличения энергопотребления серверов при неизменных габаритах требования к плотности мощности становятся ещё строже. Новейшие блоки питания серверов (PSU) достигают почти 100 Вт/дюйм³. В будущем развитие серверного электропитания пойдёт в направлении повышения плотности мощности, КПД преобразования и интеллектуального управления, чтобы удовлетворить растущий спрос на вычислительную мощность. Повышение эффективности преобразователей за счёт развития топологии и технологий компонентов — это путь к достижению высокой плотности мощности.
1.2 Источник питания UPS
ИБП играют ключевую роль в обеспечении непрерывного электропитания центров обработки данных. При отключении городского электропитания или колебаниях напряжения ИБП мгновенно переключается в режим питания от батареи (бесперебойное питание), обеспечивая бесперебойную работу критически важного оборудования в центре обработки данных (такого как серверы, устройства хранения данных, сетевые устройства и т.д.).
1.3 Система питания высоковольтным постоянным током
Системы электропитания постоянного тока высокого напряжения (HVDC) обеспечивают значительную экономию энергии в таких приложениях, как центры обработки данных. Поскольку HVDC исключает стадию инвертора в традиционных ИБП (источниках бесперебойного питания), эффективность преобразования может достигать более чем 95%, что эффективно снижает энергопотребление центров обработки данных. Согласно соответствующим данным, эффективность электропитания HVDC на более чем 5% выше, чем у традиционных решений ИБП. Кроме того, поскольку в системе HVDC отсутствует инвертор, среднее время наработки на отказ (MTBF) превышает аналогичный показатель ИБП более чем на 30%. По мере того как к центрам обработки данных предъявляются всё более высокие требования к энергоэффективности, сокращению выбросов и надёжности, спрос на источники питания HVDC будет продолжать расти.
1.4 Модульное/распределённое источники питания постоянного тока
Для решения основных задач центров обработки данных в области высокой надежности, гибкой масштабируемости, оптимизации энергоэффективности и эффективности эксплуатации систем электропитания серверы центров обработки данных также используют модульные распределённые системы питания. Модульные источники питания не только динамически адаптируются к потребностям вычислительной мощности, но и обеспечивают изоляцию сбоев за счёт резервирующих архитектур, повышая надёжность системы. Кроме того, они могут динамически изменять количество подключённых модулей в зависимости от фактической нагрузки для повышения эксплуатационной эффективности.
Схематическая диаграмма применения в центре обработки данных
2- Требования к индуктивности для систем электропитания центров обработки данных
В системах электропитания центров обработки данных индуктивности являются основными компонентами, играющими важную роль. Используя принцип электромагнитной индукции, они предотвращают колебания тока, стабилизируют выходной ток и выполняют ключевую функцию в процессах преобразования энергии, влияя на энергоэффективность и стабильность системы электропитания. Разные силовые цепи предъявляют различные требования к индуктивностям.
В системах переменного тока индуктивности в основном используются в цепях коррекции коэффициента мощности (PFC) и фильтрации ЭМП. Дроссели PFC должны выдерживать переходные токи на высоких частотах (десятки кГц до МГц), чтобы предотвратить насыщение сердечника. В дросселях используются композитные сердечники из металлических материалов, которые обладают такими электрическими характеристиками, как высокий ток насыщения, низкие потери в сердечнике и высокая температурная стабильность. Индуктивности, применяемые для фильтрации ЭМП, должны обладать способностью подавления высокочастотных помех; дроссели синфазных помех должны подавлять шумы в диапазоне МГц, а также иметь конструкцию с низким уровнем утечки магнитного поля, чтобы уменьшить влияние на чувствительные цепи.
Система постоянного тока включает два сценария: первый — система HVDC (высоковольтный постоянный ток), с типичным напряжением 240 В в текущем отечественном контексте. Второй — распределённое электропитание постоянного тока (например, прямая подача 48 В). Для высоковольтного питания постоянного тока требуются дроссели с высокочастотными характеристиками, с частотами переключения на уровне МГц, используются магнитные сердечники с низкими потерями для обеспечения эффективного преобразования постоянного тока. Дроссели необходимо проектировать с обеспечением высоковольтной изоляции, чтобы избежать риска пробоя высоким напряжением. Дроссели должны обладать способностью пропускать высокие токи и поддерживать низкий нагрев при длительной работе при высоких токах. В то же время дроссели должны соответствовать требованиям по низкой паразитной ёмкости, чтобы уменьшить проблемы высокочастотного резонанса. Для распределённого питания постоянного тока предъявляются требования к малым габаритам дросселей, высокой мощности и низкому сопротивлению DCR для снижения общих потерь.
Дроссели в системах ИБП в основном используются для фильтрации выходного сигнала инвертора и в цепях управления зарядом/разрядом аккумуляторов. Для фильтрации выходного сигнала инвертора требуются дроссели компактной конструкции с высокой мощностью, способные работать с токами выше 100 А в ограниченном пространстве и при этом соответствовать требованиям по низким гармоническим искажениям. Эффект фильтрации можно оптимизировать за счёт применения ферритовых сердечников в сочетании с многослойными обмотками. Дроссели, применяемые в источниках питания ИБП, также должны выдерживать импульсные токи и обладать антинасыщающими характеристиками при переходных процессах заряда/разряда аккумулятора; поэтому для систем ИБП требуются компактные дроссели с высоким током насыщения.
Модульные и распределенные энергетические системы требуют использования катушек индуктивности, отвечающих стандартизированным требованиям проектирования с функцией горячей замены, со строго согласованными параметрами индуктивности, способных адаптироваться к теплоотводу в замкнутых пространствах и обеспечивающих расширенный диапазон рабочих температур от -40 °C до +125 °C. Помимо традиционных высокотоковых и сборных катушек индуктивности, применение технологии TLVR позволяет повысить динамическую реакцию катушек индуктивности.
Архитектура электропитания центров обработки данных и технические характеристики (на основе онлайн-данных)
3- Тенденции спроса на катушки индуктивности для центров обработки данных
В связи с тенденцией к увеличению вычислительной мощности, повышению плотности мощности, росту частот и степени интеграции оборудования центров обработки данных, катушки индуктивности демонстрируют следующие направления развития:
① Высокая плотность мощности. Рост производительности аппаратного обеспечения вычислительных центров на базе ИИ усиливает требования к катушкам индуктивности. Катушки должны быть способны работать с большей мощностью в ограниченном пространстве оборудования источников питания серверов, а также обладать улучшенной стойкостью к высоким температурам.
② Высокая частота и низкие потери. В блоках питания центров обработки данных всё чаще используются полупроводниковые приборы на основе широкозонных материалов, такие как GaN и SiC. Катушки индуктивности должны поддерживать работу этих высокочастотных устройств, одновременно снижая потери в сердечнике и повышая эффективность преобразования системы.
③ Миниатюризация и интеграция. В центрах обработки данных на базе ИИ серверы и карты-ускорители ИИ всё больше интегрируют вычислительные блоки в ограниченное пространство, что требует миниатюризации компонентов, включая катушки индуктивности. Это предъявляет требования как к уменьшению размеров, так и к увеличению плотности мощности.
④ Высокая надёжность. Системы электропитания центров обработки данных работают непрерывно, и перебои с питанием или простои недопустимы. Помимо использования резервных схем и источников резервного питания, компоненты должны обладать чрезвычайно высокой надежностью и температурной стабильностью, а выбранные катушки индуктивности также должны характеризоваться высокой надежностью.
4-Codaca Катушки индуктивности способствуют повышению эффективности систем электропитания центров обработки данных
Будучи ведущим поставщиком технологий магнитных компонентов в отрасли, компания Codaca специализируется на разработке индивидуальных решений в виде катушек индуктивности. Самостоятельно разработанные катушки индуктивности Codaca широко применяются в серверах искусственного интеллекта, источниках питания центров обработки данных и телекоммуникационном оборудовании.
Для выполнения требований высокой производительности электронных компонентов в источниках питания центров обработки данных компания Codaca самостоятельно разработала различные линейки продукции, включая индуктивности с высоким уровнем насыщения и высоким током, индуктивности с низкими потерями, легкие, интегрированные литые индуктивности, поверхностно-монтируемые силовые индуктивности, подходящие для монтажа с высокой плотностью, индуктивности с низкой индуктивностью и высокочастотные индуктивности с высоким током. Индуктивности Codaca обеспечивают ток насыщения до 350 А, эффективность преобразования энергии до 98% и рабочую температуру до 165 °C. Эти продукты сертифицированы по стандарту AEC-Q200 и подходят для использования в жестких и сложных условиях эксплуатации.
Опираясь на профессиональные возможности проектирования индуктивностей, а также сильные производственные и испытательные возможности, Codaca предоставляет широкий ассортимент индуктивностей с низкими потерями, высокой эффективностью и высокой надежностью для источников питания серверов, ИБП и других устройств, способствуя повышению общей эффективности систем электропитания центров обработки данных.
Рекомендуемые модели индукторов для систем электропитания центров обработки данных следующие:
Высокотоковые силовые индукторы Codaca такие как CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , отличающиеся высоким током насыщения, низким сопротивлением постоянному току, широким диапазоном рабочих частот и большим диапазоном рабочих температур, отвечают требованиям систем электропитания центров обработки данных к высокому рабочему току, высокой частоте с низкими потерями и высокой мощности.
Литьевые силовые индукторы такие как CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , с литой полностью экранированной конструкцией, сильными анти-ЭМП характеристиками, низким сопротивлением постоянному току, высоким током и низкими потерями в сердечнике, соответствуют требованиям систем электропитания центров обработки данных к малым размерам индуктора, высокому току и защите от ЭМП.
Силовые индукторы для поверхностного монтажа такие как SPRH /CSUS /ЦРХСМ /SPQ /SPD /SPBL , оснащённые магнитным экраном, обладают сильными анти-ЭМП характеристиками, компактными размерами и подходят для монтажа с высокой плотностью.
Силовые индукторы с низкой индуктивностью серии CSHN предназначены для питания GPU. Индуктивность CSHN, разработанная Codaca самостоятельно специально для серверных источников питания, обладает полностью экранированной структурой, высокой устойчивостью к ЭМП и отличными характеристиками по постоянному току смещения. Наша серия индуктивностей высокой частоты и высокого тока предназначена специально для приложений с высоким потреблением тока, обеспечивая высокую плотность накопления энергии, сверхнизкое сопротивление постоянному току и компактные размеры, что делает её подходящей для VRM и многофазных понижающих преобразователей.
Кроме того, индуктивности Codaca широко используются в коммутаторах, маршрутизаторах, системах хранения данных и системах мониторинга центров обработки данных, включая индуктивности высокого тока, интегральные индуктивности, дроссели синфазных помех/поверхностного монтажа и другие, все из которых могут быть гибко адаптированы под требования заказчика. За дополнительной информацией обращайтесь в отдел продаж Codaca или посетите веб-сайт компании Codaca.