EN
Швидкі посилання
Експоненційне зростання навантажень, пов’язаних із штучним інтелектом, кардинально змінило вимоги до проектування систем живлення серверів. Оскільки графічні процесори (GPU), центральні процесори (CPU) та спеціалізовані прискорювачі штучного інтелекту (xPU) розміщують усе більше транзисторів у єдиному корпусі, потужність живлення, подавана на ці пристрої на платі, зросла до сотень й навіть тисяч ват на роз’єм. Щоб встигати за цим зростанням, модулі регулювання напруги (VRM) та перетворювачі поблизу навантаження (PoL), що живлять ці процесори, змушені працювати з вищою щільністю струму й швидшою реакцією на транзієнти, ніж будь-коли раніше в історії серверів.
У центрі кожної з цих ступенів живлення розташований, на перший погляд, простий компонент — індуктивний елемент. Цей елемент далеко не є товарним компонентом; навпаки, він став одним із ключових факторів успіху — а за поганого вибору — одним із ключових «вузьких місць» архітектури живлення серверів штучного інтелекту. У цій статті розглядається, як еволюціонує система живлення серверів ШІ, які вимоги ця еволюція пред’являє до індуктивних елементів, які параметри інженери мають найуважніше враховувати під час їхнього вибору та як спеціалізовані сімейства індуктивних елементів, такі як серії CSBA та CSHN від CODACA, практично задовольняють ці вимоги.
Традиційні системи живлення серверів поступово замінюються архітектурами, побудованими навколо чотирьох паралельних трендів:
◾Розподіл постійного струму високої напруги. Багато серверних стоїків нового покоління для ШІ переходять від застарілої розподільної системи 12 В до шин постійного струму 48 В, що зменшує втрати I²R у межах задньої панелі до того, як напруга знижується на рівні плати.
◾Розподілених перетворювачів біля точки навантаження. Замість одного централізованого перетворювача потужність тепер регулюється поблизу кожного процесора за допомогою кількох етапів PoL, кожен із яких має власний набір індукторів.
◾Цифрове керування. Цифрові PWM-контролери з швидкими контурами зворотного зв’язку дозволяють перетворювачам реагувати на різкі зміни навантаження, характерні для робочих навантажень GPU.
◾Інтелектуальне керування потужністю. Етапи живлення, що працюють на основі телеметрії, динамічно корегують кількість фаз і поведінку перемикання залежно від поточних умов навантаження.
Кожна структурна зміна створює нові вимоги до продуктивності індукторів, тому вибір індукторів стає ключовим проектним рішенням, а не вторинним фактором. Чому індуктори мають значення в системах живлення серверів ШІ.
Індуктори живлення розташовані на початку ланцюга живлення чипів і забезпечують стабільний, низькошумний струм для кремнієвих мікросхем, що виконують обчислення ШІ. Вони виконують кілька функцій одночасно в ланцюзі живлення серверів ШІ:
◾ Регулювання зберігання енергії та напруги у топологіях перетворювачів buck, багатофазних і TLVR, що живлять GPU, CPU та прискорювальні плати.
◾ Згладжування хвилеподібності щоб ступені постійного струму з швидким перемиканням забезпечували чистий і стабільний вихідний струм, а не зашумлений сигнал, який може порушити стабільність чутливих цифрових логічних схем.
◾ Фільтрація сигналів та придушення перешкод , де загальні дроселі та диференційні індуктивності працюють разом з конденсаторами, щоб видалити високочастотну хвилеподібність із первинного ступеня змінного струму на постійний струм і захистити цілісність високошвидкісних сигналів.
Оскільки індуктивності присутні майже на кожному етапі перетворення потужності в сервері ШІ — від рівня стійки (AC-DC) до під-1 В живлення ядра процесора — їхні електричні й теплові характеристики надзвичайно впливають на загальну ефективність, стабільність та надійність системи.
Порівняно з індуктивностями, що використовуються в звичайних серверах, індуктивності для серверів ШІ мають задовольняти більш жорсткий і взаємопов’язаний набір вимог:
2.1 Низький опір постійного струму (DCR) для роботи при великих струмах. Споживання струму сучасними прискорювачами штучного інтелекту різко зросло, і котушки повинні проводити цей струм із мінімальними резистивними втратами. Високий опір постійному струму (DCR) безпосередньо призводить до більшого нагрівання за рахунок втрат I²R; якщо таке тепло не відводити ефективно, магнітний матеріал може деградувати або котушка може повністю вийти з ладу, що загрожує стабільністю живлення. Тому низький DCR розглядається як базовий параметр проектування, а не як додаткова перевага.
2.2 Робота на високих частотах із низькими втратами в осерді. Джерела живлення для серверів ШІ зазвичай мають ККД, що наближається до 99 %. Оскільки частоти перемикання зростають, щоб передавати більшу потужність у меншому об’ємі, втрати в осерді та обмотках одночасно збільшуються, якщо магнітний матеріал і геометрія котушки не оптимізовані спеціально для роботи на високих частотах.
2.3 Мініатюризація без погіршення характеристик. Місце на платі сервера штучного інтелекту обмежене, а каскади живлення мають розташовуватися якомога ближче до процесора, щоб мінімізувати паразитну індуктивність. Це спонукає розробників дроселів використовувати магнітні матеріали з високою щільністю та литі однокомпонентні конструкції, що зменшують площу й висоту компонента, не втрачаючи здатності витримувати високий струм — важливий чинник для розташування у високощільних поверхневих монтажах.
◾ Стабільна висока надійність. Сервери штучного інтелекту працюють із високим завантаженням практично цілодобово. Дроселі в такому середовищі мають забезпечувати стабільну електричну характеристику протягом тривалого терміну експлуатації за постійного теплового й електричного навантаження.
◾ Ефективне придушення ЕМІ. Магнітно екранована конструкція обмежує магнітний потік у межах самого компонента, зменшуючи випромінювані перешкоди й сприяючи відповідності оточуючої системи вимогам електромагнітної сумісності — це набуває все більшого значення зі зростанням щільності живлення на рівні плати.
Під час відбору кандидатів-індуктивностей для серверів штучного інтелекту та плат високопродуктивних обчислень інженери зазвичай зосереджуються на трьох ключових електричних параметрах — струмі насичення, постійному опорі (DCR) та струмі, що викликає підвищення температури, — які доповнюються ширшим набором критеріїв надійності й електромагнітних перешкод.
Навантаження GPU відомі різкими стрибками навантаження; швидкість зміни струму (di/dt) під час такого стрибка може досягати ~100 А/мкс. Якщо сердечник індуктивності насичується під час такого стрибка, індуктивність різко зменшується, а регулювальний контур перетворювача може втратити стабільність керування, що загрожує загальній стабільності системи. Тому запас за струмом насичення — а не лише номінальний струм у сталому режимі — є критичним критерієм вибору для силових каскадів серверів штучного інтелекту.
DCR є основним чинником втрат у міді та, відповідно, загальної ефективності перетворювача. Оскільки DCR безпосередньо впливає на ефективність, інженери все частіше обирають дроселі з намотуванням плоским дротом замість традиційної конструкції з круглим дротом; конструкції з плоским дротом можуть знизити DCR більш ніж на 30 % порівняно з аналогами з круглим дротом при схожих габаритних розмірах, що безпосередньо призводить до менших втрат потужності й охолодження під час роботи.
Сервери на основі ШІ часто працюють під високим навантаженням цілодобово, тому запас за температурою є обов’язковим. При виборі дроселя слід забезпечити, щоб його номінальний струм, що викликає підвищення температури, перевищував максимальний постійний робочий струм схеми, а також залишався достатній проектний запас для найгірших умов навколишнього середовища та повітряного потоку.
Частоти перемикання VRM у серверах штучного інтелекту змінилися від приблизно 300 кГц у застарілих конструкціях до діапазону 1–3 МГц і вище. Безпосереднім наслідком є значне зменшення необхідного значення індуктивності — а отже, й фізичних розмірів індуктора. Однак у середовищі великих струмів і високої потужності, характерному для серверів штучного інтелекту, підвищення частоти перемикання також збільшує як втрати в обмотках змінним струмом, так і втрати в магнітному осерді; тому переваги вищої частоти мають бути поєднані з магнітним матеріалом, спеціально розробленим для мінімізації втрат на високих частотах.
Крім цих чотирьох ключових параметрів, інженери враховують також конструкцію магнітного екранування, дані про довготривалу надійність та досяжну щільність потужності в обмеженому просторі як частину комплексної оцінки. На практиці правильний індуктор вибирають, відповідно до конкретного профілю навантаження, величини струму, частоти перемикання та теплового середовища кожного живильного шини сервера штучного інтелекту, підбираючи продукт, розроблений саме для такої комбінації.
Різні етапи ланцюга живлення серверів штучного інтелекту вимагають різних технологій виготовлення індукторів:
◾ Силову індуктивність з великим струмом є основними компонентами систем живлення GPU, CPU та прискорювальних плат, що забезпечують високу струмову насиченість, стабільне використання високих струмів з мінімальним підвищенням температури, сприятливі втрати на високих частотах та магнітні матеріали з низькими втратами, такі як ферит або порошкові металеві сплави.
◾ Формування потужних дроселів повністю інтегрують котушку й осердя за допомогою процесу пресування з магнітним порошком, що зменшує витікання магнітного потоку й покращує характеристики насиченості струмом. Така конструкція, як правило, забезпечує вищу щільність потужності та сильнішу придушення ЕМІ порівняно з традиційними намотаними індукторами, що робить її особливо придатною для високопотужних постійного струму-постійного струму перетворювачів та живлення CPU/GPU, де обмежено місце на друкованій платі.
◾ Індуктори TLVR (Trans-Inductor Voltage Regulator) використовує зв’язану двообмоткову структуру для спрощення проектування багатофазного перетворювача та зменшення кількості компонентів на друкованій платі. Для низьковольтних, високострумових шин із швидкою реакцією, типових для прискорювачів ШІ, конструкції TLVR можуть покращити перехідну реакцію, зменшити вихідну пульсацію й знизити необхідну вихідну ємність — що дає суттєву економію вартості та місця на рівні системи.
CODACA створила свій асортимент індукторів саме з урахуванням вищезазначених вимог, розробивши власні магнітні порошкові сердечники на основі спеціальних сплавів та процеси лиття цільних (монолітних) компонентів, орієнтовані на високострумові, високонасичені, високочастотні з низькими втратами й компактні рішення для серверів ШІ та пов’язаного інтелектуального обчислювального обладнання. Два серії демонструють, як ці принципи проектування реалізуються у конкретних компонентах для живлення систем ШІ.
The Серія CSBA створено на основі власного сплаву з порошкового магнітного осердя, розробленого компанією CODACA, і призначене для застосувань, де критично важливе як обмеження площі на друкованій платі, так і висока ефективність у діапазоні високих частот:
The Серія CSBA Власний порошковий сплавний сердечник із наднизькими втратами в осерді, «м’яка» характеристика насичення струму забезпечує стабільну роботу під час перехідних навантажень, низькі втрати на високих частотах — підходить для потужних рішень на основі GaN. Поєднання низьких втрат у сердечнику та високої ефективності на високих частотах робить серію CSBA практичним вибором для постійного струму-постійного струму (DC-DC) перетворювачів та комутаційних стабілізаторів, що працюють на підвищених частотах, характерних для сучасних VRM-ступенів серверів штучного інтелекту, у тому числі для потужних рішень на основі GaN.
5.2 Серію CSHN Затишок силового формованого для прискорювачів штучного інтелекту
The Серію CSHN це формований потужний дросель для ультра-низьковольтних, високострумових ліній живлення, розташованих найближче до кристалів процесорів штучного інтелекту. Він Серію CSHN Діапазон індуктивності — від 56 до 82 нГн, а мінімальний DCR — приблизно 0.19 мОм у типових компонентах. Завдяки наднизькому значенню індуктивності, наднизькому DCR та високій здатності проводити струм у компактному форм-факторі з литим корпусом серія CSHN прямо спрямована на вимоги мініатюризації та високої щільності монтажу модулів живлення AI-чипів, а розширений діапазон робочих температур забезпечує стійкість до тривалого теплового навантаження, характерного для обладнання інтелектуальних обчислень.
5.3 Підбір індуктора під конкретну задачу
Для інженерів, які проектують лінії живлення AI-серверів, практичним висновком є те, що вибір індуктора слід починати з електричного й теплового профілю конкретної лінії, а не з загального пошуку «високострумового індуктора»:
◾У корпусі чи на платі в місцях, де простір обмежений, але вимоги до струму й частоти залишаються значними, компактна високострумова серія, така як Серія CSBA є сильним кандидатом.
◾Для шин наднизького напруги, низької індуктивності та великих струмів, що живлять чіпи ШІ безпосередньо — де мінімізація площі й DCR є критично важливою, — формований чіп-індуктор, такий як Серію CSHN краще відповідає цим вимогам.
◾Для багатофазних шин ядра GPU зі швидкою реакцією на перехідні процеси індуктор на основі TLVR може забезпечити переваги на рівні системи у швидкості реакції на перехідні процеси та скороченні кількості вихідних конденсаторів, яких не може досягти звичайний індуктор з одною обмоткою.
Постачання електроенергії для серверів ШІ остаточно змістилося у бік розподілу вищої напруги, розподіленого перетворення прямо біля навантаження та комутації на частотах у кілька мегагерц — все це при постійному режимі роботи з високим навантаженням. Така комбінація одночасно вимагає від індукторів живлення низького DCR, високого струму насичення, низьких втрат на високих частотах, компактних розмірів, ефективного екранування ЕМІ та тривалої надійності.
Вибір правильної сім’ї індуктивних елементів та правильної моделі всередині цієї сім’ї для кожної живильної шини більше не є рутинним рішенням щодо списку матеріалів (BOM), а стає значущим фактором підвищення ефективності перетворення електроенергії в серверах штучного інтелекту та загальної стабільності системи. Спеціально розроблені продуктові лінійки, такі як серії CSBA та CSHN компанії CODACA — а також ширші технології високострумових, литих та TLVR-індуктивних елементів, які вони представляють, — демонструють, як постачальники магнітних компонентів реагують на ці вимоги в міру подальшого масштабування обчислень на основі штучного інтелекту.
Для детальних електричних специфікацій, креслень габаритів та запитів зразків відвідайте Офіційний вебсайт CODACA ：https://www.codaca.com.cn/.