De la red eléctrica al chip: optimización de la energía para centros de datos de IA

Cómo abordar las limitaciones de las arquitecturas de sistemas de energía en los centros de datos.

Los operadores de centros de datos necesitan acceso a más fuentes de energía y la capacidad de distribuirla eficientemente desde la red eléctrica, a través de las instalaciones y los racks, hasta llegar al chip. Al mismo tiempo, existe una creciente presión para reducir la inversión en infraestructura informática, incluyendo fuentes de alimentación, sistemas de distribución y soluciones de refrigeración. Reducir los costos energéticos y el impacto ambiental son igualmente cruciales. A medida que los operadores buscan aumentar el retorno de la inversión y obtener una ventaja competitiva mediante la optimización de la infraestructura, maximizar la conversión de energía y minimizar los costos operativos se convierten en prioridades fundamentales.

Sin embargo, las arquitecturas de sistemas de potencia presentan limitaciones importantes. Por ejemplo, la tendencia actual hacia voltajes más bajos y corrientes más altas a nivel de chip implica que la etapa de conversión final debe estar muy cerca de la carga para garantizar una mínima caída de voltaje e interferencia causada por la inductancia de conexión, y para hacer frente a los mayores requisitos transitorios de carga de los procesadores más recientes. Además, ubicar la electrónica de potencia cerca de los chips plantea desafíos de gestión térmica, especialmente en espacios ya reducidos.

La conversión de energía desde los módulos reguladores de voltaje en los procesadores se realiza por etapas mediante una configuración de alimentación distribuida. Este enfoque generalmente incluye convertidores CA/CC conectados a la red eléctrica, sistemas de respaldo y buses intermedios con convertidores de potencia asociados que operan a voltajes que mantienen las corrientes en niveles manejables. Estas etapas ayudan a minimizar el tamaño y el costo de las interconexiones, las pérdidas de energía y las caídas de voltaje en todo el sistema.

El diseño de una arquitectura de alimentación óptima también implica la integración de convertidores de potencia en la infraestructura de refrigeración del centro de datos, así como la toma de decisiones sobre posibles áreas para incorporar aislamiento galvánico en la conversión de potencia, con el fin de mitigar los riesgos de seguridad y los bucles de tierra. En última instancia, las limitaciones de espacio físico y los requisitos térmicos —determinados por la densidad de potencia y la eficiencia— desempeñan un papel decisivo en la ubicación y la forma de implementación de los equipos de alimentación.

Identificación de una solución óptima para la distribución de energía en centros de datos.

La distribución de energía en un centro de datos abarca desde transformadores y aparamenta de red de CA tradicionales hasta barras colectoras mecánicas y convertidores CC/CC de alta frecuencia que operan a velocidades de megahercios (MHz). Con tantas opciones disponibles, determinar la configuración más eficaz puede resultar difícil y, en algunos casos, estar sujeta a juicios subjetivos.

Por ejemplo, un arquitecto de sistemas podría estar a favor de distribuir energía a 800 V._{corriente continua} en lugar de 48 V_{corriente continua} para reducir los niveles de corriente, minimizar las pérdidas de potencia y las caídas de tensión, y permitir el uso de barras colectoras y cableado más pequeños y rentables. Sin embargo, esta tensión más alta introduce requisitos de cumplimiento más estrictos, lo que requiere aislamiento adicional, aislamiento galvánico y procesos de certificación. También eleva el nivel de seguridad del personal, permitiendo que solo ingenieros y técnicos debidamente cualificados trabajen en dichos sistemas. En contraste, las tensiones de barra a 48 V_{corriente continua} Siguen siendo una opción popular gracias a su amplia adopción en la industria y a la disponibilidad de componentes de probada eficacia, que ofrecen múltiples proveedores y un menor coste debido a las economías de escala. Además, son intrínsecamente seguros, ya que se encuentran por debajo de los límites de seguridad de tensión extrabaja (SELV).

Otro aspecto clave del diseño es si las tensiones del bus intermedio deben estar reguladas o no. Los diseños aislados y no regulados pueden ofrecer mayor eficiencia y mejor densidad de potencia, pero generalmente requieren una cuidadosa selección de los convertidores posteriores para garantizar la compatibilidad. Algunos sistemas adoptan esquemas de regulación híbrida, donde se permite que la tensión del bus fluctúe dentro de límites predefinidos, y el control activo se activa solo cuando se superan estos umbrales. Este enfoque mantiene una alta eficiencia a la vez que ofrece mayor flexibilidad para la conversión de potencia posterior.

Lograr la optimización de la conversión de energía de extremo a extremo en centros de datos

Para identificar la solución óptima de conversión y distribución de energía de la red eléctrica al chip, se requiere un enfoque integral. Las arquitecturas convencionales de árbol de potencia son menos adecuadas para satisfacer las necesidades de los sistemas de próxima generación, dado que los límites entre las etapas de conversión están cambiando. Por ejemplo, los convertidores CC/CC ahora están estrechamente integrados eléctrica y térmicamente con los procesadores mediante tecnologías de suministro de energía vertical (VPD) diseñadas para adaptarse a las configuraciones de pines únicas de cada procesador.

Cuando los componentes de la cadena de conversión de energía provienen de múltiples proveedores, aumenta el riesgo de incompatibilidad. Cada proveedor puede promover tecnologías propietarias que no se integran perfectamente con las demás, lo que dificulta la creación de un sistema totalmente cohesionado. Esto subraya la importancia de trabajar con un socio de conversión de energía experimentado y de confianza, capaz de ofrecer soluciones integradas de principio a fin, garantizando la alineación entre los componentes, optimizando el rendimiento, reduciendo costos y brindando soporte y asesoramiento a largo plazo.

Flex ofrece una amplia gama de Productos de alimentación y refrigeración para centros de datos, Flex ofrece soluciones que incluyen reguladores CC/CC y convertidores de bus, así como soluciones para la conversión CA/CC de media y baja tensión, distribución de energía, sistemas de alimentación de respaldo críticos y refrigeración a nivel de rack y chip. Además, proporciona soluciones de diseño a medida, incluyendo configuraciones de suministro de energía vertical y herramientas de simulación para modelar sistemas antes de su implementación. Asimismo, ofrece monitorización y soporte integral para garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos.

Ante la creciente demanda de capacidad para centros de datos, los operadores necesitan socios de confianza que ofrezcan no solo productos, sino soluciones completas y escalables. Flex aporta una amplia experiencia en diseño, producto, fabricación, integración de sistemas y gestión de la cadena de suministro, lo que permite a los centros de datos escalar de forma eficiente y satisfacer las necesidades de rendimiento en constante evolución, con capacidad disponible cuando se requiere. Desde instalaciones ya existentes hasta proyectos desde cero, el despliegue rápido y fiable de infraestructura de energía y refrigeración de última generación a escala global es ahora un factor crítico para la resiliencia de los centros de datos.

La entrega de energía vertical aumenta la eficiencia y el rendimiento.

Entrega de potencia vertical La distribución de potencia variable (VPD) ayuda a gestionar la energía en los centros de datos al aumentar la eficiencia y la fiabilidad, y reducir significativamente la pérdida de energía. Los métodos tradicionales de distribución de potencia lateral suelen generar una considerable disipación de potencia en la placa de circuito impreso (PCB), lo que incrementa los costes energéticos y complica la gestión térmica. En cambio, la VPD acorta la ruta de transmisión de potencia al colocar los reguladores de voltaje directamente debajo de los procesadores de alto rendimiento. Esta proximidad minimiza la resistencia del plano de alimentación, mejora la densidad de corriente y reduce drásticamente las pérdidas de potencia. Los diseños de VPD que permiten conexiones directas por la parte inferior a los procesadores y a los pines de alimentación de los ASIC optimizan aún más la eficiencia y el rendimiento.

Mejorar la eficiencia de refrigeración a nivel de chip.

Si bien las plataformas de computación acelerada han introducido requisitos de energía en los centros de datos, el calor que generan ha supuesto un gran desafío para las soluciones de refrigeración. La refrigeración directa al chip transfiere el calor de los procesadores a placas frías refrigeradas por líquido. Este enfoque en los centros de datos puede superar significativamente a la refrigeración por aire forzado en la transferencia y eliminación de calor, y permite un diseño de placas más flexible, eliminando la necesidad de colocar procesadores y disipadores cerca de una salida de aire. JetCool, una empresa Flex, Este enfoque se perfecciona con tecnología de microchorros, que apunta con precisión a los puntos calientes para mejorar la eficiencia de la refrigeración a nivel del chip.

Energía ininterrumpida, gestionada de forma inteligente.

El suministro eléctrico fiable y escalable es esencial para garantizar que los centros de datos eviten tiempos de inactividad y pérdida de datos, y mantengan una alta eficiencia y seguridad. Los riesgos de fallos de alimentación, desequilibrios de carga y distribución ineficiente pueden tener consecuencias significativas, desde interrupciones del servicio hasta sobrecalentamiento y fallos en los equipos. Los sistemas modulares prefabricados, como los desarrollados por Anord Mardix, una empresa Flex, puede eliminar las modificaciones costosas y que consumen mucho tiempo en los planes de expansión del centro de datos.

Con la amable colaboración de Components in Electronics