EN
Liên kết nhanh
Với sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo và các công nghệ dữ liệu lớn, các máy chủ AI, với tư cách là thiết bị đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán, đảm nhận những nhiệm vụ quan trọng trong các lĩnh vực như điện toán đám mây, học sâu, lái xe tự động và robot thông minh. Hiệu suất và độ ổn định của các máy chủ AI phần lớn phụ thuộc vào thiết kế hệ thống nguồn điện. Khi nhu cầu về năng lực tính toán liên tục gia tăng, các kiến trúc nguồn điện truyền thống dần trở nên khó đáp ứng yêu cầu cung cấp điện hiệu quả và ổn định, dẫn đến sự xuất hiện ngày càng phổ biến của các kiến trúc nguồn điện tiên tiến, chẳng hạn như nguồn điện phân tán 48V, chuyển đổi buck đa pha và điều khiển số, trở thành các giải pháp chính thống.
1- Các Kiến Trúc Nguồn Điện Chính Của Máy Chủ AI
1.1 Kiến Trúc Nguồn Điện Tập Trung
Các nguồn điện tập trung truyền thống sử dụng một đơn vị nguồn (PSU) để chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều 12V, sau đó phân phối đến các tải khác nhau thông qua bo mạch chủ. Chúng có thiết kế đã được hoàn thiện, chi phí thấp và dễ quản lý tập trung. Tuy nhiên, khi hiệu suất tính toán của các máy chủ AI tăng lên, những nhược điểm này trở nên rõ rệt: đường truyền 12V dài dẫn đến tổn thất dẫn điện tăng đáng kể (I²R); dải điều chỉnh điện áp bị giới hạn, ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng động; khó xử lý các thay đổi tải đột ngột ở cấp độ nanogiây của CPU/GPU; khả năng dự phòng hệ thống kém, sự cố của một mô-đun nguồn đơn lẻ có thể khiến toàn bộ hệ thống sập, thiếu độ tin cậy.
1.2 Kiến trúc nguồn phân tán (DPA)
Kiến trúc nguồn phân phối đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho các máy chủ AI cỡ lớn. Cốt lõi của nó là việc sử dụng nguồn trung gian 48V. Các bộ nguồn (PSU) xuất ra điện áp một chiều 48V, tận dụng đặc tính điện áp truyền tải cao và dòng điện truyền tải thấp để giảm đáng kể tổn thất năng lượng trong các đường phân phối. Gần các tải chính như CPU và GPU, các bộ chuyển đổi Point-of-Load (POL) được triển khai để trực tiếp chuyển đổi 48V sang các điện áp thấp cần thiết (ví dụ: 0,8V–1,8V), đạt được nguồn cấp điện cục bộ và tinh chỉnh, từ đó nâng cao đáng kể tốc độ đáp ứng quá độ và độ chính xác điều chỉnh điện áp.
kiến trúc nguồn phân phối 48V (Nguồn hình ảnh: Internet)
1.3 Kiến trúc chuyển đổi buck đa pha
Đây là giải pháp triển khai cụ thể cho POL nhằm cung cấp điện cho các tải công suất cực cao (như CPU/GPU). Bằng cách vận hành xen kẽ nhiều mạch buck đồng bộ song song để cung cấp điện cho một bộ xử lý duy nhất, các ưu điểm của nó bao gồm: giảm tải dòng điện và tổn thất nhiệt trên mỗi pha sau khi chia dòng; làm mịn hiệu quả độ gợn sóng dòng điện đầu ra thông qua hoạt động đan xen đa pha, giảm sự phụ thuộc vào các tụ điện tách lớp; và bật/tắt động số lượng pha dựa trên mức tiêu thụ điện năng của bộ xử lý để tối ưu hóa hiệu suất ở tải nhẹ.
1.4 Kiến trúc điều khiển nguồn kỹ thuật số
Bằng cách thay thế một số mạch tương tự bằng các bộ xử lý tín hiệu số (DSPs) hoặc vi điều khiển (MCUs), nó đạt được khả năng quản lý điện năng thông minh. Giải pháp này không chỉ cho phép sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp và linh hoạt hơn để tối ưu hóa đáp ứng động và hiệu suất năng lượng, mà còn hỗ trợ giám sát theo thời gian thực, điều chỉnh thông số, dự đoán lỗi và quản lý từ xa (ví dụ như dựa trên các giao thức PMBus/I2C) thông qua phần mềm. Các thiết kế tiên tiến thường áp dụng chế độ lai gồm quản lý số + phản hồi nhanh tương tự, nhằm cân bằng giữa tính thông minh và tốc độ.
1.5 Nguồn điện mô-đun
Được sử dụng rộng rãi trong các máy chủ AI ở cấp độ trung tâm dữ liệu. Các mô-đun nguồn tiêu chuẩn (như CRPS) hỗ trợ thay nóng, dự phòng N+1 và bảo trì trực tuyến, đảm bảo khả năng sẵn sàng hoạt động kinh doanh cực cao. Các chức năng thông minh của chúng cho phép điều chỉnh động số lượng mô-đun được kích hoạt dựa trên điều kiện tải, tránh vận hành kém hiệu quả ở tải nhẹ, và cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng tổng thể của trung tâm dữ liệu.
2- Những thách thức đặt ra đối với cuộn cảm do sự phát triển kiến trúc nguồn cấp điện cho máy chủ AI
Sự đổi mới trong kiến trúc nguồn máy chủ AI đã đặt ra các yêu cầu hiệu suất khắt khe hơn đối với cuộn cảm, thúc đẩy công nghệ cuộn cảm theo kịp các tiến bộ trong thiết kế nguồn. Các sản phẩm cuộn cảm phải đáp ứng các nhu cầu sau.
① Điện trở một chiều thấp: Nhu cầu hiện tại đối với các máy chủ AI hiệu suất cao đã tăng đáng kể, đòi hỏi các cuộn cảm phải có khả năng chịu dòng điện lớn và hiệu suất quản lý nhiệt xuất sắc. Khi cuộn cảm dẫn dòng lớn, chúng sinh nhiệt. Việc tản nhiệt kém có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí làm hỏng vật liệu cuộn cảm, ảnh hưởng đến độ ổn định nguồn điện. Do đó, thiết kế điện trở một chiều thấp (DCR) đã trở thành một thông số quan trọng đối với cuộn cảm, giúp giảm hiệu quả tổn thất năng lượng và sự gia tăng nhiệt độ, cho phép cuộn cảm thể hiện độ tin cậy vượt trội trong các ứng dụng dòng cao.
② Tần số cao, Tổn hao thấp: Các bộ nguồn máy chủ AI hiện đại đòi hỏi hiệu suất ở mức 97% hoặc thậm chí 99%, trong đó các biến áp cảm ứng chiếm một phần đáng kể tổn thất trong hệ thống. Khi tần số chuyển đổi điện tiếp tục tăng, các cuộn cảm phải cân bằng giữa hiệu suất tần số cao và hiệu suất cao, giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy và tổn thất từ trễ. Những tổn thất gia tăng do dòng điện tần số cao đòi hỏi việc tối ưu hóa liên tục các vật liệu và cấu trúc của cuộn cảm để đáp ứng yêu cầu về dải tần rộng và hiệu suất cao.
③ Thiết kế thu nhỏ và mỏng Các máy chủ AI có không gian bên trong hạn chế, đòi hỏi cần giảm thêm kích thước của cuộn cảm trong khi vẫn duy trì hiệu suất. Việc thu nhỏ và thiết kế mỏng là xu hướng phát triển tương lai của cuộn cảm. Thông qua việc sử dụng các vật liệu lõi từ mật độ cao và các kỹ thuật đúc tạo hình tiên tiến, cuộn cảm có thể được làm nhỏ hơn đồng thời giảm trọng lượng, thuận lợi cho việc lắp đặt mật độ cao và tiết kiệm hiệu quả không gian bo mạch in (PCB) quý giá. Ngoài ra, các thiết kế này cũng phải cân bằng giữa độ bền cơ học và hiệu suất nhiệt để ngăn ngừa suy giảm hiệu suất trong các môi trường phức tạp.
④ Độ tin cậy cao: Các máy chủ AI thường hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng và điều kiện tải liên tục dài hạn. Cuộn cảm cần phải có khả năng thích nghi tốt với nhiệt độ và độ ổn định đáng tin cậy, có khả năng chống lại hiệu quả các ảnh hưởng của nhiệt độ cao và thay đổi môi trường nhằm đảm bảo thiết bị vận hành liên tục và ổn định.
⑤ Hiệu suất EMI: Cấu trúc chắn từ tính có thể hiệu quả kìm hãm tác hại của nhiễu điện từ lên các linh kiện hoặc đường tín hiệu gần đó, đảm bảo việc xử lý chính xác các tín hiệu yếu bởi máy chủ. Các cuộn cảm có hiệu suất EMI cao có thể giảm ô nhiễm môi trường điện từ và tăng cường khả năng chống nhiễu tổng thể của hệ thống.
⑥ Thiết kế ít tiếng ồn: Với nhu cầu ngày càng cao về kiểm soát tiếng ồn của máy chủ, tiếng kêu vo ve của các cuộn cảm cũng trở thành một điểm chú ý. Tiếng vo ve phát sinh do rung động từ chính cuộn cảm ảnh hưởng đến môi trường trung tâm dữ liệu và trải nghiệm người dùng. Đặc biệt trong các phòng máy chủ tại trung tâm dữ liệu đám mây quy mô lớn, tầm quan trọng của thiết kế ít tiếng ồn là không thể xem nhẹ. Công nghệ cuộn cảm đúc và điều chỉnh tần số cộng hưởng cung cấp các giải pháp hiệu quả để giảm tiếng vo ve, cải thiện đáng kể khả năng thích nghi với môi trường của nguồn máy chủ.
Tóm lại, các cuộn cảm phải đối mặt với nhiều thách thức trong hệ thống nguồn máy chủ AI, bao gồm dòng điện cao, kích thước nhỏ, tần số cao, khả năng chống nhiễu mạnh, thích nghi nhiệt độ rộng và độ ồn thấp. Để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khắt khe trong các xu hướng mới, cần phải liên tục cải tiến thông qua đổi mới vật liệu, tối ưu hóa cấu trúc và nâng cấp quy trình.
3- Ứng dụng và khuyến nghị lựa chọn cuộn cảm trong nguồn máy chủ AI
Các cuộn cảm trong nguồn máy chủ AI thực hiện nhiều chức năng như lọc, chặn, ổn định điện áp và dòng điện, cũng như ức chế nhiễu. Đối với các yêu cầu hiệu suất cao và độ tin cậy cao của máy chủ AI trong các xu hướng mới, việc lựa chọn cuộn cảm phù hợp là vô cùng quan trọng. Codaca đã tập trung vào các giải pháp cuộn cảm độ tin cậy cao và đã ra mắt nhiều sản phẩm cuộn cảm hiệu suất cao dành cho máy chủ AI và các thiết bị thông minh liên quan, bao gồm các loại khác nhau như cuộn cảm nguồn dòng điện siêu cao, cuộn cảm nguồn dòng điện cao kích thước nhỏ gọn và cuộn cảm đúc dòng điện cao độ tự cảm thấp.
Trong số đó, chiếc linh kiện cảm ứng điện lưu lượng cao series CSBA sử dụng vật liệu lõi từ tính dạng bột từ tính do Codaca tự phát triển, với đặc điểm tổn hao lõi cực thấp, đặc tính dòng điện bảo hòa mềm tuyệt vời và tính chất tổn hao thấp ở tần số cao. Thiết kế mỏng của nó giúp tiết kiệm không gian lắp đặt, phù hợp với yêu cầu lắp ráp mật độ cao. Dải nhiệt độ hoạt động từ -55℃ đến +170℃, có khả năng thích nghi với môi trường làm việc nhiệt độ cao. Các cuộn cảm series CSBA đáp ứng các yêu cầu hiệu suất của bộ nguồn GaN đối với cuộn cảm có tần số cao, tổn hao thấp, mật độ công suất cao và dải nhiệt độ rộng, được sử dụng rộng rãi trong các module chính như bộ chuyển đổi DC-DC và bộ điều chỉnh chuyển mạch.
The cuộn cảm đúc series CSHN , được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng AI, áp dụng cấu trúc đúc với độ ồn siêu thấp. Sản phẩm có độ tự cảm siêu thấp, điện trở một chiều cực thấp, đặc tính bão hòa mềm tuyệt vời và khả năng chịu dòng cao. Các sản phẩm sử dụng thiết kế mỏng để đáp ứng nhu cầu thu nhỏ kích thước và đóng gói mật độ cao cho chip AI và các module nguồn. Dải nhiệt độ hoạt động từ -40℃ đến +125℃, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của thiết bị tính toán thông minh.
Khi lựa chọn linh kiện, kỹ sư cần xem xét các đặc tính tải, dòng điện, kích thước, tần số hoạt động và điều kiện làm mát của máy chủ AI để chọn ra mẫu cuộn cảm phù hợp nhất. Ví dụ, trong các chassis máy chủ nhỏ gọn có không gian hạn chế, Series cuộn cảm nguồn dòng cao cỡ nhỏ CSBA sẽ là lựa chọn lý tưởng. Để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng AI về độ tự cảm thấp, dòng điện cao và kích thước nhỏ, Series cuộn cảm AI đúc CSHN có thể được chọn. Việc lựa chọn đúng các sản phẩm cuộn cảm hiệu suất cao phù hợp có thể tối đa hóa hiệu quả chuyển đổi điện năng và độ ổn định hệ thống của các máy chủ AI.