Moderna komponenter driver databehandlingssystem med hög kapacitet i datacenter för -AI-hetsen

Tillväxten av datacenter ökar kraftigt i takt med utbyggnaden av molntjänster och den plötsliga efterfrågan på tillämpningar med artificiell intelligens (AI) som är beroende av stora språkmodeller (LLM). De kräver större skalbarhet och enorma databehandlingsresurser. En ny generation av databehandlingssystem med hög kapacitet (HPC) och specialiserade komponenter som kan hantera högre krav på effekt och värmehantering behövs.

Behoven hos datacenter driver efterfrågan på förbättrade passiva komponenter, som t.ex. effektkondensatorer, resistorer och induktorer, som konstruktörer av produkter kan använda för att utveckla mer avancerade enheter för databehandling med hög kapacitet för att möta bearbetningskraven för AI. Kraven omfattar högre effektivitet, prestanda, tillförlitlighet och värmehantering i mindre enheter som gör det möjligt för datacenter att optimera utrymmet och öka densiteten i sina system.

Bättre induktorer för effektivare databehandling med hög kapacitet

KEMET, ett dotterbolag inom YAGEO Group, har utvecklat induktorer av metallkomposit för att förbättra prestandan hos omvandlare för DC-DC och switchande nätaggregat. Genom att utnyttja sin historia som leverantör av anpassade magnetiska komponenter till OEM-företag har företaget utvecklat METCOM MPX, en standardiserad serie effektinduktorer som har högre tolerans mot transienter och högre driftstemperatur, vilket ger både en liten konstruktion och hög prestanda.

Effektinduktorer av metallkomposit från METCOM har en flödestäthet i kärnan med hög mättnad, vilket ger ett starkare magnetfält än traditionella ferritinduktorer. De har en stabil induktans i relation till temperatur och ström.

Kärnan består av metallpulver med en isolerande beläggning och bindemedel. Det tillgängliga induktansområdet för serien MPX är 0,1 till 100 µH.

Genom att använda rund koppartråd omsluten av ett sintrat magnetiskt kompositpulver av metall (figur 1) som har stabil induktans i relation till temperatur och ström, gör induktorns konstruktion den lämplig i många regulatorer för DC till DC, som exempelvis switchande nätaggregat för servrar i datacenter, effektinduktorer, filterinduktorer för elektromagnetiska störningar och regulatorer för lastpunktsreglering.

Figur 1: Effektinduktorerna METCOM MPX använder rund koppartråd som omges av ett sintrat kompositpulver av magnetisk metall. (Bildkälla: KEMET)

Metallpulver gör det möjligt att tillverka induktorer med högre energitäthet och bättre värmebeständighet. Detta ger förutsättningar för mindre enheter jämfört med induktorer med ferritkärna, tillsammans med övriga fördelar såsom lägre kärnförluster vid högre frekvenser och överlägsen dämpning av elektromagnetiska störningar. Allt detta sammantaget ger ökad hållbarhet och tillförlitlighet, vilket är avgörande vid drift av datacenter.

Med mer än 200 alternativ i serien MPX (figur 2) erbjuder Kemet ett stort utbud av valmöjligheter. Tillgängliga mått, i mm, är 5 x 5, 6 x 6, 8 x 8, 10 x 10, 12 x 12, 17 x 17 och 22 x 22.

Figur 2: METCOM-formatet MPX. (Bildkälla: KEMET)

MPX1D0630L3R3 är t.ex. en komponent med måtten 6 x 6 mm och en höjd på 3 mm som gör det möjligt att utnyttja utrymmet på ett tätbestyckat kretskort på ett effektivt sätt utan att göra avkall på prestandan. Med en nominell drifttemperatur på upp till +155 °C, en induktans på 3,3 µH ±20 % och en maximal likströmsresistans på 30,3 mΩ är den lämplig för databehandlingsmiljöer med hög kapacitet där det är viktigt att bibehålla strömförsörjning, värmehantering och effektivitet.

För lättare krav eller större mångsidighet när det gäller induktansvärden finns MPX1D0530L220 med måtten 5 x 5 mm och en höjd på 3 mm samt en induktans på 22 µH. Med en högre maximal likströmsresistans på 341,2 mΩ är den lämplig för användning där värmehantering är ett mindre problem, eller om det finns extra kylning inbyggd i systemet.

Alternativ för effektinduktorer av bead-typ för databehandling med hög kapacitet

I databehandlingssystem med hög kapacitet där det krävs generell dämpning av elektromagnetiska störningar utan strikta prestandakrav erbjuder ett annat YAGEO-företag, Pulse Electronics, spänningsförande effektinduktorer av bead-typ som är optimerade för hantering av höga strömmar. De är särskilt konstruerade för användning med TLVR-topologi (trans-inductor voltage regulator).

Effektinduktorer med ferritkärna är ett alternativ till de induktorer med lindad kärna som vanligtvis driver spänningsregulatorer med stationär kärna (VCORE). Effektinduktorer av bead-typ, som tillverkas med teknologin för genomgående hål (Through-Hole Technology), har högre effektivitet och snävare toleranser, vilket möjliggör VCORE-regulatorer med mindre storlek.

I stället för att sprida ut rippelströmmar från induktorer med enkellindning i en buck-topologi med flera faser, skapar effektinduktorer av bead-typ mindre induktans och möjliggör en avvägning mellan hur snabbt omvandlaren reagerar på en förändring i lastströmmen (transientsvar) och stabiliteten i styrslingan.

Komponenter från Pulse Electronics används vanligtvis i spänningsregulatorer med höga strömmar och flera faser som driver processorer, minnesmoduler och ASICS- och FPGA-enheter för höga strömmar i servrar, grafikkort, lagring och datacenter. Dessa TLVR-induktorer med dubbla lindningar finns i storlekar mellan 4 x 4 och 13 x 13 mm med induktansområden från 20 nH till 1 µH.

Delar av serien PAL6373.XXXHLT (figur 3), som t.ex. PGL6380.101HLT, har måtten 12 x 6 mm med induktanser från 100 till 200 nH, mättnadsström från 59 till 125 A topp och ett drifttemperaturområde på -40 till +125 °C. De är konstruerade med en ferritkärna monterad över en 1T- eller 2T-lindning och har mycket låg likströmsresistans (DCR), hög toppström och låga växelströmsförluster. De finns i versioner för en fas, integrerade faser och kopplade induktorer.

Figur 3: Effektinduktorserien PAL6373.XXXHLT av bead-typ från Pulse Electronics. (Bildkälla: Pulse Electronics)

För databehandlingssystem med hög kapacitet beror valet av effektinduktorer av bead-typ eller metallkomposit på systemets specifika krav, som t.ex. behovet av hög induktansstabilitet, temperaturtålighet och reducering av störningar. Induktorerna från KEMET har stabil prestanda i ett utökat temperaturområde, upp till +180 °C, och deras gjutna metallstruktur bidrar till att minska akustiskt brus, vilket kan vara en fördel i störningskänsliga databehandlingssystem med hög kapacitet.

Stabila kondensatorer med lång livslängd

Solida elektrolytiska kondensatorer av aluminium med ledande polymer från KEMET är också väl lämpade för de hårda kraven i databehandlingssystem med hög kapacitet där prestanda, effektivitet och tillförlitlighet är avgörande.

Till skillnad från traditionella "våta" elektrolytkondensatorer av aluminium som använder ledande flytande elektrolyt, har de fasta polymererna i kondensatorer från KEMET en låg ekvivalent serieresistans (ESR) som är stabil över temperaturer, frekvenser och drifttid.

Kondensatorer med solida polymerer är mer vibrationståliga, konstruerade för högre stabilitet, klarar högre rippelströmmar och har längre livslängd jämfört med våtkondensatorer, där elektrolyten kan torka och sluta fungera. De bibehåller kapacitansen effektivt vid höga frekvenser, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för snabbt switchande nätaggregat.

Kondensatorer från KEMET fungerar effektivt vid de höga strömkrav som är typiska för databehandlingssystem med hög kapacitet utan betydande effektförluster, och de klarar högre spänningar jämfört med standardelektrolyter tack vare kombinationen av ledande polymerer och elektrolyter. De förbättrade elektriska egenskaperna och robustheten hos kondensatorer med fast elektroly av aluminium och polymer kan avsevärt förbättra den totala effektiviteten och tillförlitligheten hos databehandlingssystem med hög kapacitet jämfört med alternativen.

Ytmonterade kondensatorer från KEMET i serien A768 (figur 4) är konstruerade för en längre livslängd och större stabilitet i ett stort temperaturområde och finns med värden från 18 till 1 200 µF, och med spänningar från 4 V_DC till 80 V_DC. A768MS108M1CLAE015 är t.ex. en version för 16 V och 1000 µF med ett värde för ekvivalent serieresistans på 15 mOhm och ett drifttemperaturområde på mellan -55 och +125 °C. Den har en lödö med måtten 10,30 x 10,30 mm.

Figur 4: En ytmonterad kondensator av aluminium med fast polymer i serien A768 från KEMET. (Bildkälla: KEMET)

Kondensatorerna är konstruerade för att klara krävande temperaturförhållanden och det finns versioner som klarar vibrationer på upp till 30 g för databehandlingsmiljöer med hög kapacitet, där mekanisk belastning eller rörelse kan orsaka instabilitet.

Tunnfilmsresistorer

En annan viktig komponent för databehandlingskonstruktioner med hög kapacitet är kretsresistorer som kompletterar effektomvandlare och kondensatorer för att skydda mot för högt strömflöde och garantera ett systems övergripande stabilitet och effektivitet. År 2023 introducerade YAGEO Group sin NT-serie, med tunnfilmsresistorer av tantalnitrid, som är konstruerade för att bibehålla en hög prestanda i krävande miljöer.

Den självpassiviserande konstruktionen i NT-serien bildar ett vattentätt skikt som skyddar det resistiva skiktet, för att förhindra fuktinträngning. Enheterna finns i kapslingsstorlekar från 0402 till 1206, med ett resistansområde från 100 till 481 kΩ.

Med ett stort drifttemperaturområde på mellan -55 och +155 °C bidrar NT-resistorerna till stabil effektdistribution och effektiv energiöverföring. De har en resistanskoefficient (TCR) vid låga temperaturer på ±25, ±50 ppm/°C med märkeffekter på 1/20 till 2/5 W.

Sammanfattning

Kraven för databehandling i molnet och AI driver på behovet av elektronikkomponenter med specifika egenskaper för att uppnå en hög tillförlitlighet vid krävande förhållanden. Konstruktörer kan uppfylla de nya kraven på databehandlingssystem med hög kapacitet med hjälp av specialiserade effektinduktorer, resistorer och kondensatorer, som t.ex. de som levereras av YAGEO Group och dotterbolagen KEMET och Pulse Electronics.