Voltaje de bus intermedio para procesadores de IA

El enfoque del autobús intermedio

La tensión final del núcleo del chip, que ahora oscila entre 400 mV y 900 mV, generada a partir de la alimentación de CA entrante al centro de datos, se obtiene por etapas. Inicialmente, suele convertirse a 54 V._{corriente continua}, lo cual es práctico para la distribución alrededor del rack de servidores. Este enfoque mejora la seguridad eléctrica y mantiene las corrientes relativamente bajas, lo que permite un dimensionamiento razonable del cable. Los convertidores CC/CC en los procesadores pueden entonces reducir el voltaje directamente a menos de 1 V. Sin embargo, esta gran relación de conversión produce pérdidas significativas y ocupa más espacio, por lo que es menos práctico a niveles de potencia más altos. Para solucionar esto, normalmente se utiliza un bus intermedio, seguido de un módulo regulador de voltaje (VRM) multifásico ubicado cerca del procesador para minimizar las caídas de voltaje estáticas y dinámicas bajo altas corrientes de carga. Una tendencia reciente en el diseño de electrónica de potencia incluso coloca esta etapa de conversión final directamente debajo del procesador para proporcionar "entrega de energía vertical".

Ahora hay que elegir qué voltaje de bus intermedio usar, y determinar el valor óptimo no es tan sencillo, ya que hay múltiples factores a considerar. El convertidor de bus intermedio (IBC) CC/CC que genera el voltaje del bus suele ser un convertidor de relación fija/no regulado para mayor eficiencia y simplicidad. Las relaciones más comunes son 4:1 y 8:1, que producen voltajes nominales de 13,5 V CC y 6,75 V CC, respectivamente. Pero, ¿cómo elegir el adecuado?

¿4:1 u 8:1?

Una diferencia clave obvia entre los dos voltajes de bus es la corriente de salida nominal: alrededor de 150 A para 6,75 V._{corriente continua} en comparación con 75A para 13,5V por kW de carga. Esto significa un 1^calle La etapa 4:1 IBC se puede colocar más lejos de la 2^{Dakota del Norte} convertidor VRM de etapa sin pérdida de distribución considerable, liberando espacio para GPIO del procesador, PCIe y enrutamiento de memoria. Por otro lado, para evitar pérdidas de distribución significativas debido a 8:1 1^calle etapa IBC deben colocarse cerca de 2^{Dakota del Norte} VRM de etapa que puede intervenir en el enrutamiento del procesador.

Una entrada de 13,5 V a los 2^{Dakota del Norte} El valor de VRM de la etapa suele estar optimizado y produce pérdidas de conducción relativamente menores en su interruptor superior, ya que su ciclo de trabajo es menor que con una entrada de 6,75 V. Sin embargo, el VRM también presenta pérdidas de conmutación relativamente mayores. Estas pérdidas son proporcionales a la tensión de entrada, la duración del flanco de conmutación, la potencia y la frecuencia, por lo que la eficiencia general del PoL, al comparar entradas de 13,5 V y 6,75 V, puede variar poco.

Quizás un problema más significativo sea que un IBC de 4:1 y 13,5 V requiere el doble de inductancia de salida que un IBC de 8:1 para la misma corriente de rizado y tiempo de apagado (véase la figura 1 a continuación). En la práctica, esto significa que, para un IBC compacto, el inductor, que suele ser el componente más alto en muchos diseños, se volverá aún más alto, aumentando potencialmente la altura total de 5 mm a 10 mm. Esto puede ser problemático cerca del procesador, donde las placas de refrigeración líquida de alta potencia se extienden sobre los componentes adyacentes, lo que exige que sean de bajo perfil. Un IBC de 10 mm de altura podría no caber en la parte posterior del PC, lo que limitaría las opciones de ubicación.

Figura 1: En la etapa de salida de un IBC de "relación", el tamaño del inductor para una corriente de rizado y un tiempo de apagado dados es proporcional a la tensión de salida.

Otras consideraciones

Por supuesto, existen otras relaciones de conversión, como 5:1 y 6:1, que permiten ajustar el rendimiento. Sin embargo, las relaciones estándar más comunes, de 4:1 y 8:1, suelen ofrecer la mejor compatibilidad y una mayor variedad de convertidores CC/CC.

Las arquitecturas de conversión de energía se evalúan típicamente en función de la eficiencia general de extremo a extremo, y este es sin duda un factor importante al elegir un IBC. Sin embargo, la potencia real disipada en el IBC y el VRM es completamente insignificante en comparación con la carga, que suele ser 25 veces mayor y se encuentra cerca. Por ejemplo, un procesador que disipa 1 kW podría hacer que el IBC solo pierda 20 W. Como ilustración, el IBC Flex BMR315 5:1 y BMR320 Los disipadores IBC 8:1 presentan una diferencia de eficiencia de tan solo 0,3% a una potencia de salida de 400 W, lo que representa una diferencia mínima de 1,7 W. Dada la baja disipación en el IBC, su funcionamiento suele ser manejable con el flujo de aire estándar del sistema, sin necesidad de integrarlo en los complejos sistemas de refrigeración líquida que requieren las CPU de última generación.

Conclusión

Al seleccionar la relación de conversión de voltaje IBC ideal, los diseñadores de sistemas deben considerar factores que van más allá de la eficiencia general. El tamaño físico, especialmente la altura, puede ser un factor decisivo en el espacio limitado disponible en las placas de servidores de IA de alto rendimiento actuales.