Hur man tillhandahåller effektiv krafthantering i datacenter för AI

Framväxten av artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML) har skapat ett aldrig tidigare skådat kraftbehov. Nästa generations datacenter står inför stora utmaningar när det gäller energihantering, effektivitet och tillförlitlighet. Traditionella kraftlösningar har ofta svårt att uppfylla dessa krav när det gäller enskilda komponenter och övergripande hantering av infrastruktur för datacenter. Avancerade kraftkomponenter och integrerade övervakningslösningar erbjuder en heltäckande strategi för att hantera dessa utmaningar.

Tekniken med hybridkondensatorer ger exempelvis en stabil strömförsörjning, lösningar med extremt låg ekvivalent serieresistans (ESR) ger verkningsgrad vid strömomvandling med hög strömstyrka, resistorer med hög noggrannhet möjliggör noggrann övervakning av strömförsörjningen och trådlös integration tillhandahåller omfattande strömhantering.

Den här artikeln undersöker hur dessa delar bidrar till att skapa robusta krafthanteringssystem i datacenters som drivs av AI. Därefter introduceras lösningar från Panasonic inom alla de fyra områdena och deras tillämpning i miljöer på moderna datacenter demonstreras.

Effektiv kraftleverans i datacenter med hybridkondensatorteknik

Moderna datacenter kräver en omfattande kraftomvandling. Det är vanligt att de kräver hundratals kilovolt växelspänning (kVAC) från elnätet. Spänningen transformeras först ned till tiotals kV växelspänning för distribution i hela datacentret. Den omvandlas sedan till hundratals volt växelspänning för distribution till utrustningsstativ.

På stativnivå omvandlas växelström till likström, vanligtvis 12 VDC, för att uppfylla IT-utrustningens krav. Slutligen regleras spänningen ytterligare till lägre nivåer i respektive utrustning, ofta mellan 1,1 och 5 V, för att driva de enskilda komponenterna, som t.ex. processorer och minnesmoduler.

Varje steg i kedjan medför förluster som kan ha en betydande inverkan på datacentrets totala effektivitet. Kraftkonstruktörer för datacenter använder i allt högre grad halvledare med ett brett bandgap (WBG), som galliumnitrid (GaN), för att minimera förlusterna i de senare omvandlingsstegen. Jämfört med klassiskt kisel (Si) uppnår enheter med brett bandgap en överlägsen verkningsgrad genom högre switchningsfrekvenser och lägre ledningsförluster.

Den kondensatorteknik som används i dessa omvandlare innebär dock betydande konstruktionsutmaningar. Konstruktörer av kraftsystem har traditionellt haft två beprövade kondensatortekniker: konventionella elektrolytkondensatorer av aluminium, som har låg läckström, och polymerkondensatorer, som har enastående ESR-egenskaper. Serien EEH med hybridkondensatorer av aluminium från Panasonic (figur 1) är ett tredje alternativ som kombinerar styrkorna hos de båda för att minimera förluster till följd av läckström och ESR.

Bild 1: Elektrolytiska hybridkondensatorer av aluminium i serien EEH minimerar förluster till följd av läckström och ESR. (Bildkälla: Panasonic)

Hybridkondensatorer har andra fördelar, bland annat förbättrad tillförlitlighet genom avbrott i kretsen och bibehållen nominell kapacitans vid mycket högre frekvenser än traditionella konstruktioner. Medan konventionella kondensatorer börjar tappa effektivitet vid frekvenser på tiotals kHz, bibehåller hybridkondensatorerna sin prestanda vid frekvenser som närmar sig en MHz. Den högre driftfrekvensen gör det möjligt att använda mindre kondensatorer, vilket medför att konstruktörer kan skapa mindre omvandlare eller frigöra plats på kretskortet för ytterligare funktioner.

Ett typiskt exempel på en hybridkondensator är EEH-ZA1V151P. Denna enhet på 150 µF, 35 V, har ett lågt ESR på 27 mΩ, ett drifttemperaturområde på -55 °C till ca +105 °C och en livslängd på 10 000 timmar (vid +105°C). Dess lämplighet i tillämpningar för datacenter demonstreras med utvärderingskortet för DC/DC-omvandlaren EVLMG1-250WLLC från STMicroelectronics (bild 2). Detta GaN-kort uppnår en effekttäthet på 20 W/in.³ med en verkningsgrad på över 92 %.

Bild 2: Utvärderingskortet för GaN DC/DC-omvandlaren EVLMG1-250WLLC visar hybridkondensatorns potential. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Fördelar med kondensatorer som har låg ESR i högeffektiva strömförsörjningar med hög täthet

Trenden mot DC/DC-omvandlare med hög effekttäthet i datacenter skapar unika utmaningar för värmehanteringen. Den ökande effekttätheten och den minskade komponentytan kan leda till dramatiskt höjda driftstemperaturer.

Genom att minimera kondensatorns ESR kan man delvis hantera dessa termiska utmaningar. Eftersom effektförlusten följer relationen I²R innebär en minskning av resistansen en direkt minskning av effektförlusten och därmed av värmeutvecklingen. Därför är ett lågt ESR avgörande för att bibehålla säkra driftstemperaturer i kompakta konstruktioner.

Även de mest effektiva kondensatorerna kan dock råka ut för höga driftstemperaturer till följd av omgivningen. Därför är det viktigt att välja en kondensator som tål värmen i ett tätt packat datacenter. I figur 3 visas ett urvalsdiagram som bland annat tar hänsyn till driftstemperaturen.

Bild 3: Här visas en urvalsguide för hybridkondensatorer baserad på rippelström, kapacitans, storlek och driftstemperatur. (Bildkälla: Panasonic)

De höga switchningsfrekvenserna som GaN-tekniken möjliggör, ger visserligen möjlighet till mindre kapslingar, men kondensatortekniken måste bibehålla tillräcklig kapacitans för att klara höga rippelströmmar. Med kapacitansalternativ från 47 till 680 μF och förmågan att hantera upp till 2,3 A vid 100 kHz hanterar hybridkondensatorerna i serien EEH-ZL dessa utmaningar. De har även garanterad drift till +135 °C och en ESR ned till 14 mΩ.

Ett exempel är kondensatorn EEH-ZL1E681P på 680 μF, som har en ESR på 14 mΩ och en kapslingsdiameter på 10 mm.

Använda resistorer med hög noggrannhet för exakt kraftövervakning

DC/DC-omvandlare i tillämpningar i datacenter kräver en mycket noggrann återkoppling vid effektreglering. Det är särskilt viktigt i GaN-baserade konstruktioner, där även små fel i driftcykelns återkoppling kan leda till farliga överspännings- eller överströmsförhållanden.

Även om det finns olika tekniker för strömavkänning, är shuntresistorer särskilt tilltalande i miljöer med begränsat utrymme som servrar, lagringsinfrastruktur och nätaggregat. Den höga effekttätheten i moderna konstruktioner skapar dock betydande utmaningar för resistiv strömavkänning.

Den främsta utmaningen ligger i den termiska stabiliteten. Resistansvärdena kan variera avsevärt när drifttemperaturen förändras, vilket kan äventyra noggrannheten i mätningen. Det medför att den termiska motståndskoefficienten (TCR) är en viktig specifikation. Den måste vara så låg som möjligt för att bibehålla noggrannheten i mätningen över de stora temperaturområden som förekommer i datacenter.

Resistorerna i serien ERA-8P från Panasonic (figur 4) hanterar utmaningarna genom flera innovativa funktioner:

• En extremt låg TCR på ±15 ×^10-6 per grad Kelvin (K) uppnås genom noggrann bearbetning av tunna filmer
• Ett spänningsreducerande mjukt hartslager under resistorn som minimerar sprickbildning i lödningarna vid termiska cykler
• En slät substratyta av aluminiumoxid som garanterar en jämn resistiv filmtjocklek
• Ett långt, tunt serpentinmönster som sprider strömbelastningens koncentration och ger branschledande tålighet mot elektrostatiska urladdningar (ESD)

Figur 4: Resistorerna i serien ERA-8P är konstruerade för hög termisk stabilitet. (Bildkälla: Panasonic)

ERA-8PEB1004V demonstrerar dessa funktioner med specifikationer som passar för strömövervakning i datacenter:

• En hög begränsande elementspänning på 500 V vid 1 MΩ för övervakning av högspänningsmatningar
• En effekt på 0,25 W som garanterar minimal strömförlust
• Drifttemperaturområde: -55 °C till +155 °C
• Överlägsen tålighet mot elektrostatiska urladdningar (ESD) för tillförlitlig drift i miljöer med hög effekt

Användning av Wi-Fi för att övervaka energieffektiviteten

DCIM står inför en växande komplexitet i takt med att AI-arbetsbelastningar kräver fler servrar, lagringssystem och strömförsörjningsenheter. Övervakning av strömförbrukningen i dessa system är avgörande för att optimera effektiviteten, men traditionella kabelanslutna övervakningslösningar medför kostnader, komplexitet och utmaningar inom kabelhantering som bara förvärras när anläggningarna blir större.

Trådlös övervakning är en elegant lösning på dessa utmaningar. Den möjliggör effekthantering i realtid genom mätningar av spänning, ström och temperatur utan det extra arbetet med extra kablage. Tillvägagångssättet ger större flexibilitet när det gäller att skala upp eller ned verksamheten utan att behöva konfigurera om de fysiska anslutningarna.

Trådlösa moduler för tillämpningar i datacenter måste dock uppfylla flera strikta krav:

• Upprätthålla tillförlitlig anslutning i miljöer med många hinder och potentiella störningskällor
• Minimera strömförbrukningen för att bibehålla vinster i övergripande effektivitet
• Passa in i kompakta format för integrering med befintlig utrustning
• Tillhandahålla robusta säkerhetsfunktioner för att skydda känslig information i datacentret

WiFI-modulen ENW-49A01A3EF för PAN9320 från Panasonic (figur 5) hanterar dessa utmaningar genom sin omfattande uppsättning funktioner:

• Drift med 2,4 GHz ger överlägsen penetration genom hinder i datacentret samtidigt som bred kompatibilitet garanteras genom stöd för standarderna 802.11b/g/n.
• Energieffektiviteten bibehålls genom en minsta strömförbrukning på 430 mA för sändning (Tx) och 160 mA för mottagning (Rx) i läget för 802.11b.
• En kompakt ytmonterad konstruktion på 29 × 13,5 × 2,66 mm förenklar integrationen.
• Inbyggda säkerhetsfunktioner, som TLS/SSL, HTTPS och WPA2, skyddar känslig information.

Funktionerna gör det möjligt för operatörer av datacenter att implementera omfattande effektövervakning och samtidigt minimera de fysiska kostnader och driftskostnader som vanligtvis är förknippade med sådana system.

Figur 5: ENW-49A01A3EF är en heltäckande WiFi-lösning på 2,4 GHz för effektiv hantering av infrastruktur i datacenters. (Bildkälla: Panasonic)

Sammanfattning

Kraven från AI-arbetsbelastningar kräver en omprövning av deras kraftinfrastruktur, från val av enskilda komponenter till övervakningssystem för hela anläggningen. Panasonics sortiment med hybridkondensatorer, teknik för extremt låg ESR, noggranna resistorer och trådlösa anslutningsmöjligheter ger operatörer av datacenter de verktyg de behöver för att bygga och underhålla effektiva, skalbara kraftsystem som kan stödja nästa generations tillämpningar med AI.