Diseño de sistemas de alimentación para racks de centros de datos
Con arquitecturas de alto voltaje que transmiten grandes cantidades de energía a distancia con corrientes más bajas, se pueden adoptar diferentes opciones de diseño para mejorar la eficiencia integral. Las etapas de conversión innecesarias suelen eliminarse cuando los requisitos del sistema lo permiten, mientras que el rango de salida de cada convertidor se optimiza para que coincida con el rango de operación del siguiente.
Sin embargo, el módulo con la mayor eficiencia máxima indicada en su hoja de datos no es necesariamente la mejor opción para el sistema. Un convertidor de bus intermedio (IBC) de relación fija puede ofrecer menores pérdidas y mayor densidad de potencia, siempre que los reguladores posteriores puedan tolerar su salida variable. Un IBC regulado mantiene una tensión de bus intermedio más precisa, aunque la regulación puede introducir pérdidas adicionales. Para la misma tensión de entrada y potencia transferida, un IBC 4:1 produce una tensión intermedia más alta, reduciendo la corriente del bus y las pérdidas por conducción. Un IBC 8:1 produce una tensión más baja, aumentando la corriente del bus intermedio, pero facilitando la reducción de tensión necesaria en la etapa de regulación final. La mejor opción depende de muchos factores, incluyendo el rango de entrada, el perfil de carga, el diseño de la placa, la refrigeración y el rango de funcionamiento de los convertidores posteriores. blog del sitio web La elección entre una relación de conversión de 4:1 y 8:1 proporciona un análisis más detallado.
Diseñar cada componente para un pico absoluto puede sobredimensionar innecesariamente toda la cadena de alimentación. El desafío consiste en soportar cargas máximas y transitorias evitando márgenes de diseño excesivos, inestabilidad de potencia y limitación del rendimiento. Por lo tanto, es necesario evaluar conjuntamente las etapas de potencia, los bucles de control, el desacoplamiento y las rutas térmicas. Los módulos de potencia con capacidad de potencia máxima claramente definida, funcionamiento en paralelo y control digital ofrecen a los diseñadores de sistemas de alimentación mayor flexibilidad para soportar cargas transitorias.
Por supuesto, la refrigeración también forma parte del diseño de la fuente de alimentación. Cada vatio que se pierde en la conversión se convierte en calor que debe disiparse de un sistema que ya tiene limitaciones térmicas, por lo que funciona mejor cuando la refrigeración se diseña junto con la alimentación desde el principio. Las rutas de conducción en la parte superior, la compatibilidad con placas frías y la ubicación de la alimentación cerca del procesador pueden reducir significativamente el calentamiento cruzado y liberar más espacio en la placa de circuito impreso.
Soluciones de alimentación integradas para centros de datos de IA
Dentro de las arquitecturas de 48 V, los diseñadores de potencia pueden elegir entre IBC regulados y no regulados. Productos de relación fija como el BMR316 y la BMR321, con relaciones de conversión de 4:1 y 8:1 respectivamente, ofrecen una alta eficiencia de conversión y densidad de potencia cuando se combinan con etapas posteriores que aceptan un voltaje de bus intermedio variable. Por el contrario, un convertidor de cuarto de ladrillo regulado como el BMR352 Mantiene una tensión nominal estable de 12 V a medida que varía la tensión de entrada. También admite la conexión en paralelo mediante el reparto activo de corriente cuando se necesita mayor potencia de salida. Los módulos con capacidad de pico pueden soportar breves picos de carga superiores a su capacidad continua, siempre que la duración y la frecuencia de repetición se mantengan dentro de los límites especificados y se conserve la refrigeración necesaria.
Para los sistemas de alimentación de IA de próxima generación que adoptan una distribución de 800 VCC o ±400 VCC, la primera necesidad es una etapa de conversión eficiente que pueda reducir de forma segura el alto voltaje dentro del rack, con aislamiento y protección definidos a nivel de sistema. Estamos desarrollando módulos de alimentación CC/CC para ambas arquitecturas; por ejemplo, el BMR720. Diseñado inicialmente para sistemas de ±400 VCC, el BMR720 convierte a un bus de 50 V y proporciona hasta 10 kW de forma continua o 15 kW de pico. Esto crea una vía desde los estándares emergentes de instalaciones y racks hacia los dominios de menor voltaje requeridos por el hardware de servidor, sin obligar a cada cliente a crear un convertidor de alto voltaje desde cero.
Cerca del procesador, los módulos reguladores de voltaje y suministro de energía vertical (VPD) se vuelven cada vez más importantes. Soluciones como la BMR510 Pueden suministrar alta corriente con voltajes de salida de hasta 0,5 V, mientras que las soluciones VPD personalizadas ubican la etapa de conversión final directamente debajo del procesador. Esto acorta la ruta de alta corriente, reduciendo las pérdidas resistivas y mejorando la respuesta transitoria, a la vez que libera espacio valioso en la placa de circuito impreso. Estas ventajas adquieren mayor importancia a medida que aumenta la corriente del procesador.
Como se mencionó anteriormente, el producto es solo una parte de la solución de alimentación. Las interfaces digitales, como PMBus, brindan acceso a los datos operativos, permiten la configuración y ayudan a los ingenieros a comprender fallas o el comportamiento de la carga. Diseñador de energía Flex, una herramienta de software líder en la industria para analizar el rendimiento de los sistemas de energía en condiciones operativas reales, permite a los equipos modelar un sistema de energía digital completo antes de implementar el hardware, comparando la eficiencia, el rendimiento térmico, la dispersión de fase y el comportamiento de la caída de tensión en las condiciones previstas. Posteriormente, las placas de evaluación y la ingeniería de aplicaciones permiten probar estas suposiciones antes de que el diseño llegue a la plataforma final.
Aprovechar al máximo cada megavatio
Por cada MW gestionado por una etapa de conversión, cada punto porcentual de pérdida representa aproximadamente 10 kW de calor. Reducir esa pérdida disminuye la potencia de entrada necesaria para suministrar la misma potencia a los procesadores y facilita la refrigeración. También puede reducir el estrés térmico en la cadena de alimentación y dejar una mayor asignación de potencia fija disponible para el procesamiento. En múltiples racks y etapas de conversión, estos ahorros se multiplican.
En un centro de datos con recursos energéticos limitados, la eficiencia de conversión es fundamental. Si bien la capacidad de generación adicional y una mayor capacidad de la red eléctrica siguen siendo esenciales, su implementación requiere tiempo y depende de factores externos al rack. Reducir las pérdidas entre la red eléctrica y el chip ofrece una solución a corto plazo para suministrar una mayor parte de la energía disponible del centro a los procesadores.
La energía es la nueva moneda de cambio de la infraestructura de IA, por lo que la entrega y conversión eficientes representan una ventaja competitiva y una necesidad comercial. Las empresas que diseñen sistemas integrados de energía y computación estarán mejor posicionadas para convertir cada megavatio, por escaso que sea, en capacidad de IA confiable.
