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Flex Power Modules stellt auf der electronica 2024 hochdichte, digitale Stromversorgungslösungen für KI-Rechenzentren vor
Die Auswirkungen von KI und „Big Data“ sind überall um uns herum zu spüren, vom bescheidenen Haushaltsassistenten mit der fast unheimlichen Fähigkeit, menschliches Denken zu emulieren und sofort Informationen bereitzustellen, bis hin zur Steuerung riesiger Fabriken durch Edge Computing und die Cloud. Die unglaubliche Leistung ist auf schnelle, selbstlernende Softwarealgorithmen und Chips in Servern zurückzuführen, die mittlerweile über Milliarden von Transistoren verfügen. Diese CPUs, GPUs, FPGAs und ASICs können jedoch angesichts der steigenden Anforderungen an die Datenverarbeitung physisch nicht größer sein – sie müssen kompakt sein, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, und Rechenzentrumsmanager müssen immer mehr Server-Blades in ein Rack packen, um Platz und Hardware optimal zu nutzen.
Die Stromaufnahme steigt mit dem Datendurchsatz
Die Gesetze der Physik müssen gelten, und der Stromverbrauch dieser ICs hat ebenfalls erheblich zugenommen, auch wenn die Leistung pro Watt zugenommen hat, sodass mittlerweile kontinuierlich Hunderte von Ampere mit Spitzen von über tausend und hohen Stromanstiegsraten gezogen werden. Die Entwickler haben die Stromschienenspannungen reduziert, um die daraus resultierende zusätzliche Verlustleistung zu minimieren, was jedoch den Entwurf des Stromverteilungsnetzes (PDN) komplizierter macht. Daher sehen gängige Schemata eine schrittweise Leistungsumwandlung mit „Intermediate Bus Converters“ (IBCs) vor, gefolgt von „Point of Load“-Konvertern (PoLs) oder Spannungsreglermodulen (VRMs), um die Verluste zu minimieren. Der PoL/VRM wird so nah wie möglich an der Endlast auf derselben seitlichen Ebene platziert, aber bei den höchsten Strömen erzeugt der Verbindungsabstand, wenn er neben der Last platziert wird, immer noch Spannungsabfälle entlang der Schienen, sowohl durch Widerstand als auch durch inhärente Induktivität, was die Leistung beeinträchtigt.
Eine Lösung besteht darin, PoL/VRM direkt unter dem Chip zu platzieren, um eine möglichst enge Verbindung zu gewährleisten. Dieser Ansatz wird durch die neuesten kundenspezifischen Produkte und Designfunktionen von Flex Power Modules ermöglicht. Die DC/DC-Wandler, die als „Vertical Power Delivery“-Module bezeichnet werden, haben Pinbelegungen, die so angepasst sind, dass sie mit bis zu 2400 Lötkugeln direkt zur Prozessor-Pinbelegung passen. Außerdem sind sie flach, um eine Montage von unten zu ermöglichen. Die Platzierung der Umwandlungsstufe direkt unter der Last minimiert die Distanz, die die hohen Ströme zurücklegen müssen, wodurch die PDN-Widerstände und -Verluste erheblich reduziert werden, was sowohl der Systemleistung als auch dem Lastübergangsverhalten zugutekommt.
Dieses aktuelle Beispiel eines kundenspezifischen Geräts, das für einen wichtigen Kunden entwickelt wurde, ist für 670 A Dauerleistung/1300 A Spitzenleistung ausgelegt und arbeitet über einen Eingangsbereich von 5-7,5 V mit einem von 0,6-0,9 V programmierbaren Ausgang und einem Wirkungsgrad von 86%. Es wird eine externe Controller-Baugruppe benötigt, die ebenfalls von Flex Power Modules entwickelt wurde, 16 parallele Phasen verarbeiten kann und Überwachungs- und Alarmfunktionen enthält. Dieses Beispiel ist physisch 22 x 43 x 6 mm groß und enthält 800 Lötkugeln für seine BGA-Verbindungen. Die erzeugte Wärme wird durch eine Kühlplatte abgeführt, die normalerweise flüssigkeitsgekühlt ist und sich auf der „Oberseite“ des Moduls befindet, wo die Leistungshalbleiter mit koplanaren Oberflächen montiert sind.
