Optimización de la ruta energética desde la red hasta el chip

Aplicaciones como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (AA) se integran cada vez más en la sociedad, gracias en gran medida al crecimiento exponencial de la capacidad de procesamiento que posibilitan los semiconductores y centros de datos de última generación. El desarrollo generalizado de plataformas de computación acelerada y de alto consumo energético está generando una gran demanda de energía en los centros de datos. La Autoridad Internacional de Energía predice que la demanda energética de los centros de datos podría superar los 1000 TWh en 2026, lo que equivale al consumo total de electricidad de Canadá, Polonia y Argentina en conjunto en 2023.

Energía del centro de datos

Los operadores necesitan acceso a más fuentes de energía y la capacidad de distribuir eficientemente una mayor cantidad de esta energía desde la red eléctrica, a través de las instalaciones y los racks, hasta llegar al chip. Dicho esto, es fundamental minimizar los costos de capital del hardware informático, las fuentes de alimentación, la distribución de energía y los sistemas de refrigeración, así como el impacto ambiental y el costo económico de la energía consumida. Los operadores de centros de datos están bajo presión para maximizar el retorno de la inversión y buscan una ventaja competitiva en la optimización de la infraestructura. Esto implica que se debe maximizar la eficiencia eléctrica y económica del proceso de conversión de energía.

Las arquitecturas de los sistemas de potencia están limitadas por numerosos factores. Por ejemplo, la tendencia 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 caída de voltaje mínima y minimizar las perturbaciones debidas a la inductancia de conexión, así como para soportar los mayores requisitos transitorios de carga de los procesadores más recientes. Esto, a su vez, sitúa la electrónica de conversión de potencia cerca de la disipación de nivel kW en los procesadores, lo que puede generar un calentamiento cruzado problemático en un área que ya de por sí tiene un espacio muy limitado.

La conversión de energía desde los módulos reguladores de voltaje en los procesadores debe realizarse por etapas mediante un sistema de alimentación distribuida. Este enfoque implica convertidores CA/CC conectados a la red eléctrica, sistemas de alimentación de respaldo y uno o más buses intermedios con convertidores de potencia asociados que operan a voltajes que mantienen las corrientes en niveles manejables. Esto ayuda a minimizar el dimensionamiento de las interconexiones, el costo, las pérdidas de energía y las caídas de voltaje.

Refrigeración y aislamiento

Entre las consideraciones clave de diseño se incluyen la integración de los convertidores de potencia en la infraestructura de refrigeración del centro de datos, así como la decisión de si se debe proporcionar aislamiento galvánico en el tren de conversión de potencia y dónde, dadas las posibles preocupaciones sobre bucles de tierra y seguridad. El espacio físico que ocupan los equipos de conversión y distribución de energía dentro del centro de datos es un factor importante. La ubicación de los equipos está fuertemente influenciada por la refrigeración que requieren, la cual se define por su eficiencia eléctrica y densidad de potencia.

Imagen: Oferta de la red al chip Flex

Las tecnologías de distribución de energía en un centro de datos son muy variadas, abarcando desde transformadores de red de CA y aparamenta eléctrica hasta barras colectoras mecánicas y convertidores CC/CC de alta frecuencia que operan a niveles de MHz. Por consiguiente, las ventajas y desventajas pueden ser difíciles de evaluar y, en algunos casos, subjetivas.

Por ejemplo, un arquitecto de sistemas podría abogar por distribuir la energía a 800 V._{corriente continua} en lugar de 48V_{corriente continua} para reducir las corrientes, las pérdidas de potencia y las caídas de tensión, y permitir el uso de barras colectoras y cableado más pequeños y rentables. Sin embargo, los ingenieros de seguridad argumentarían que ahora habría requisitos de cumplimiento a mayor tensión, con los costos asociados en aislamiento adicional, aislamiento y certificación continua. Los ingenieros y técnicos que trabajen a mayor tensión deberán contar con las cualificaciones adecuadas para garantizar su propia seguridad y la de otros empleados y usuarios del centro de datos. En contraste, las tensiones de bus a 48 V_{corriente continua} Cuentan con el respaldo de una amplia gama de productos existentes que ofrecen múltiples fuentes y ventajas en cuanto a costos gracias a las economías de escala. Además, son intrínsecamente seguros, ya que se encuentran por debajo de los límites de seguridad de tensión extra baja.

Otro aspecto importante a considerar es si las tensiones del bus intermedio deben estar reguladas o no. Los diseños más recientes, aislados pero no regulados, ofrecen una eficiencia y densidad de potencia superiores, pero requieren una cuidadosa selección de los convertidores posteriores para garantizar la compatibilidad. Incluso existen opciones de regulación híbrida en las que se permite que la tensión del bus varíe dentro de límites predefinidos, activándose el control activo solo cuando se superan dichos límites. Este enfoque proporciona mayor flexibilidad a los convertidores posteriores, manteniendo la eficiencia.

Un enfoque holístico

Para identificar la solución óptima de conversión y distribución de energía de la red eléctrica al chip, se requiere un enfoque integral. Incluso el árbol de potencia convencional puede resultar ya insuficiente, dado que los límites entre los elementos de conversión de energía se han difuminado cada vez más. Por ejemplo, los convertidores CC/CC ahora están estrechamente integrados eléctrica y térmicamente con los procesadores mediante tecnologías de suministro de energía vertical adaptadas a las configuraciones de pines específicas de cada procesador.

Imagen: BMR316

Cuando los componentes de la cadena de conversión de energía provienen de diferentes proveedores, existe un riesgo significativo de incompatibilidad. Además, dado que cada proveedor promociona su propia tecnología patentada, lograr una solución integral puede resultar complicado. Un especialista en conversión de energía, que se responsabiliza de optimizar la compatibilidad, el costo y el rendimiento, ofrece ventajas y puede brindar asesoramiento y soporte a largo plazo.

Algunos ofrecen una cartera integral de productos, que incluye soluciones de alimentación y refrigeración para centros de datos, como 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. También pueden proporcionar diseños personalizados, incluyendo configuraciones de suministro de energía vertical y herramientas de simulación para modelar sistemas antes de su implementación. El monitoreo y soporte integrales garantizan el rendimiento y la confiabilidad.

Ante la insaciable demanda de energía para centros de datos, que no muestra signos de disminuir, los operadores de centros de datos deben confiar en empresas con la experiencia necesaria en diseño, producto, fabricación, cadena de suministro, integración de sistemas y ecosistema abierto para colaborar y escalar, respaldar las hojas de ruta y garantizar que las actualizaciones y la capacidad de los centros de datos estén disponibles cuando se requieran.

¿Sabías?

La transmisión vertical de energía, en el punto de mira.

Entrega de potencia vertical (VPD) ayuda a gestionar la energía en los centros de datos al aumentar la eficiencia y la confiabilidad y reducir significativamente la pérdida de energía.

Los métodos tradicionales de suministro de energía lateral suelen provocar una considerable disipación de potencia a través de la placa de circuito impreso, lo que aumenta los costes energéticos y complica la gestión térmica.

En cambio, VPD acorta la ruta de transmisión de energía al colocar los reguladores de voltaje directamente debajo de los procesadores de alto rendimiento. Esta proximidad minimiza la resistencia del plano de alimentación, aumenta la densidad de corriente y reduce drásticamente las pérdidas de energía. Los diseños de VPD que permiten conexiones directas desde la parte inferior a los procesadores y a los pines de alimentación de los ASIC optimizan aún más la eficiencia y el rendimiento.

La refrigeración líquida sigue ganando terreno.

Si bien las plataformas de computación acelerada han introducido requisitos de energía en los centros de datos, el calor que generan ha creado un desafío enorme para las soluciones de refrigeración.

La refrigeración directa al chip transfiere el calor de los procesadores a placas frías refrigeradas por líquido. En los centros de datos, este método 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.

Enfriador a chorro, una empresa Flex, también utiliza tecnología de microchorro, apuntando con precisión a los puntos calientes para mejorar la eficiencia de enfriamiento a nivel del chip.

Gestión de la energía continua

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 con certificación Flex, puede eliminar las modificaciones costosas y que consumen mucho tiempo en los planes de expansión de centros de datos. Integran componentes esenciales, como transformadores, aparamenta y sistemas de alimentación ininterrumpida, en un conjunto compacto y probado previamente que se puede instalar rápidamente para minimizar las interrupciones.

Por cortesía de Reseña semanal de electrónica.