Folleto
Suministrando energía a los centros de datos desde la red eléctrica hasta el chip.
La alta velocidad de reloj de las CPU y GPU más recientes permite realizar tareas de procesamiento intensivo como la IA y los videojuegos. Sin embargo, esto tiene un precio: cada flanco de reloj produce un pico de demanda de corriente desde la fuente de alimentación al chip, y a mayor velocidad de reloj, más picos por segundo y un valor promedio más alto. Los voltajes de alimentación se mantienen lo más bajos posible para minimizar el consumo de energía, pero esto implica una compensación con la velocidad: voltajes de alimentación más bajos ralentizan la velocidad de transición lógica, limitando la velocidad máxima alcanzable.
El problema de controlar la velocidad del reloj para obtener el mejor rendimiento existe desde los inicios de la informática: cuando el procesador 8086 original, que funcionaba a 4,77 MHz, fue reemplazado por CPU más rápidas, se tuvo que introducir un botón "turbo" para reducir la velocidad del reloj y que el software antiguo de la época pudiera funcionar. Hoy en día, la velocidad del reloj se varía dinámicamente, principalmente para obtener el máximo rendimiento funcional y térmico, con algoritmos sofisticados que monitorizan la carga de trabajo, el número de núcleos activos, la temperatura del procesador y la estimación del consumo real de corriente y energía. Los rieles de voltaje ya no son necesariamente un valor fijo, sino que pueden variar bajo el control del procesador mediante el "Escalado Dinámico de Voltaje" (DVS) para lograr una combinación óptima de velocidad y vatios consumidos sin superar las temperaturas críticas del chip. Los fabricantes de procesadores definen la "Potencia de Diseño Térmico" (TDP) como la potencia máxima que se puede disipar continuamente para una configuración de refrigeración específica y la "Potencia Media de la CPU" (ACP), que es una estimación de las condiciones reales. El TDP suele ser 50% superior al ACP, pero la demanda máxima de potencia durante periodos más cortos puede ser 50% aún mayor. Durante estos picos, las temperaturas del chip podrían superar los máximos absolutos, por lo que el periodo se limita a mucho menos de un segundo con una frecuencia de repetición controlada para mantener las temperaturas dentro de los límites.
El objetivo de la gestión de la alimentación eléctrica para procesadores es maximizar el rendimiento para el usuario final, pero el ahorro energético y el coste del sistema también son importantes. El consumo de energía de los centros de datos se ha disparado recientemente debido al aumento de la transmisión de vídeo y las videoconferencias, las redes sociales, la IA, el aprendizaje automático y el IoT. Se prevé que esta tendencia se acelere, ya que se estima que los datos en tiempo real en la "esfera de datos" global se multiplicarán por diez con respecto a los niveles de 2018 para 2025, alcanzando los 51 zettabytes [1]. Para respaldar esto, la Agencia Internacional de Energía estima que la energía consumida en los centros de datos en 2020 fue de aproximadamente 11 TP34T de suministro global, o 200-250 TWh, y hoy en día, la cifra podría ser el doble y seguir aumentando. Dado este contexto, y a medida que la relación entre la demanda máxima y la demanda media de energía también aumenta con los intentos de optimizar el rendimiento, la escala y los costes del sistema de suministro y distribución de energía en los centros de datos también se disparan. El aumento también puede ser desproporcionado si el sistema eléctrico tiene que estar dimensionado "continuamente" para la carga máxima, lo que representa una importante carga financiera y de espacio.
Los convertidores de potencia con capacidad de sobretensión mitigan los problemas.
Una estrategia de mitigación consiste en emplear convertidores de potencia diseñados para la demanda de carga promedio de forma continua, pero que también puedan suministrar potencia máxima o transitoria durante un tiempo limitado. Los convertidores, al igual que los procesadores, tienen una "Potencia de Diseño Térmico" determinada por las temperaturas internas máximas, pero pueden diseñarse para suministrar más potencia transitoriamente, según la temperatura inicial. En esta estrategia, cada etapa sucesiva de conversión de potencia, desde los convertidores de punto de carga hasta los convertidores de bus y las etapas de CA/CC y corrección del factor de potencia, debe tener una potencia transitoria similar. A bajos voltajes de procesador e incluso a voltajes de bus intermedios de 5 V o 12 V, añadir almacenamiento de energía capacitivo para satisfacer la demanda máxima requerida no es práctico debido al tamaño físico.
Una ventaja de este sistema es que los convertidores pueden ser físicamente más pequeños y de menor costo, y pueden seleccionarse para lograr una eficiencia óptima con la potencia de carga promedio, minimizando así las pérdidas totales a lo largo del tiempo. Sin embargo, el diseño de convertidores con una potencia máxima nominal es más complejo: los puntos calientes internos deben identificarse y monitorearse con precisión durante las sobretensiones para garantizar que no superen los límites y reduzcan la fiabilidad del componente. Además, debe incorporarse un apagado independiente por sobretemperatura para cubrir condiciones de falla, especialmente aquellas impuestas deliberadamente por las pruebas de las agencias de seguridad, donde se explorará la peor combinación posible de voltaje de entrada, corriente de salida y temperatura ambiente. El control y monitoreo digital de los convertidores, particularmente los PoL con potencia máxima nominal, es ideal para proporcionar la capacidad de escalado dinámico de voltaje, al tiempo que se comunican las lecturas de corriente y temperatura a un controlador de administración de energía o al procesador. Un tiempo de respuesta transitorio de carga rápido de los convertidores también es importante para aprovechar al máximo el DVS y mantener el voltaje de salida dentro de las especificaciones durante la demanda de potencia máxima.
Un buen ejemplo de un convertidor de bus intermedio con alta capacidad de sobretensión se encuentra en los módulos de potencia Flex. BMR491 Serie con una parte de cuarto de ladrillo con una potencia nominal continua de 1540 W que también puede entregar hasta 2450 W de pico durante un segundo (ver figura). La entrada es de 48-60 V y la salida es de 12 V con un tiempo de respuesta transitoria de 300 µs. Un PMBus® La interfaz digital proporciona el control y la monitorización necesarios, con el apoyo de la Diseñador de energía Flex software de configuración.
Otros ejemplos incluyen el BMR492 y en BMR350 serie.
El convertidor de bus Flex Power Modules BMR491X208/857 tiene una potencia nominal continua de 1540 W y una potencia pico de 2450 W.
A medida que aumenta el rendimiento de los centros de datos y los procesadores emplean métodos cada vez más ingeniosos para ahorrar energía, el sistema de alimentación eléctrica debe ser igualmente inteligente. Contar con capacidad de potencia máxima y un control digital integral lo convierte en una necesidad práctica.
Referencia
