Effectief energiebeheer voor AI-datacenters

De opkomst van kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning (ML) heeft geleid tot een ongekende vraag naar vermogen. De volgende generatie datacenters staat voor grote uitdagingen op het gebied van energiebeheer, efficiëntie en betrouwbaarheid. Traditionele stroomoplossingen hebben vaak moeite om aan deze eisen te voldoen op het niveau van individuele componenten en algemeen datacenter infrastructuurbeheer (DCIM). Geavanceerde voedingscomponenten en geïntegreerde bewakingsoplossingen bieden een allesomvattende aanpak om deze uitdagingen aan te gaan.

Hybride condensatortechnologie zorgt bijvoorbeeld voor een stabiele stroomtoevoer; ESR-oplossingen (equivalente serieweerstand) met ultralaag vermogen zorgen voor efficiëntie bij stroomconversie met hoge stroomsterkte; zeer nauwkeurige weerstanden maken nauwkeurige vermogensbewaking mogelijk; en draadloze integratie zorgt voor uitgebreid energiebeheer.

Dit artikel onderzoekt hoe deze elementen helpen robuuste energiebeheersystemen te creëren voor AI-gestuurde datacenters. Vervolgens worden de oplossingen van Panasonic op alle vier de gebieden geïntroduceerd en wordt hun toepassing in moderne datacenteromgevingen gedemonstreerd.

Efficiënte stroomvoorziening voor datacenters met hybride condensatortechnologie

Moderne datacenters vereisen uitgebreide stroomconversie. Het komt vaak voor dat ze honderden kilovolts AC (kVAC) van het elektriciteitsnet nodig hebben. Deze spanning wordt eerst omlaag getrapt naar tientallen kVAC voor distributie over de datacenter campus. Deze wordt vervolgens verder omgezet naar honderden VAC voor distributie naar de apparatuurrekken.

Op rackniveau wordt wisselstroom omgezet naar gelijkstroom, meestal 12 volt gelijkstroom (VDC), om te voldoen aan de vereisten van de IT-apparatuur. Ten slotte wordt binnen elk apparaat de spanning verder geregeld naar lagere niveaus, vaak tussen 1,1 en 5 volt, om de individuele componenten zoals processors en geheugenmodules van stroom te voorzien.

Bij elke stap in deze keten treden verliezen op die de algehele efficiëntie van het datacenter aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Ontwerpers van datacenters gebruiken steeds vaker WBG-halfgeleiders (Wide Bandgap) zoals galliumnitride (GaN) om verliezen in de latere conversiefasen te minimaliseren. Vergeleken met traditioneel silicium (Si) bereiken WBG-apparaten een superieure efficiëntie door hogere schakelfrequenties en lagere geleidingsverliezen.

De condensatortechnologie die in deze converters wordt gebruikt, zorgt echter voor aanzienlijke uitdagingen bij het ontwerp. Ontwerpers van voedingssystemen hebben traditioneel twee beproefde condensatortechnologieën: conventionele aluminium elektrolytische condensatoren, die een lage lekstroom hebben, en polymeercondensatoren, die uitstekende ESR-karakteristieken hebben. De EEH-serie hybride aluminium elektrolytische condensators van Panasonic (Afbeelding 1) biedt een derde optie die de sterke punten van beide combineert om verliezen door lekstroom en ESR te minimaliseren.

Afbeelding 1: De hybride aluminium elektrolytische condensators van de EEH-serie minimaliseren verliezen door lekstroom en ESR. (Bron afbeelding: Panasonic)

Hybride condensators hebben nog andere voordelen, zoals een grotere betrouwbaarheid door storingen in het open circuit en het behoud van hun nominale capaciteit bij veel hogere frequenties dan traditionele ontwerpen. Terwijl conventionele condensators hun effectiviteit beginnen te verliezen bij frequenties van tientallen kilohertz (kHz), behouden hybride condensatoren hun prestaties bij frequenties die in de buurt komen van 1 megahertz (MHz). Deze hogere werkfrequentie maakt het gebruik van kleinere condensators mogelijk, waardoor ontwerpers compactere converters kunnen maken of printplaatruimte kunnen vrijmaken voor extra functies.

Een typisch voorbeeld van een hybride condensator is de EEH-ZA1V151P. Dit apparaat van 150 microfarad (µF), 35 volt, heeft een lage ESR van 27 milliohms (mΩ), een bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot ongeveer 105 °C en een levensduur van 10.000 uur (hrs) (bij 105 °C). De geschiktheid voor datacentertoepassingen wordt gedemonstreerd in de EVLMG1-250WLLC DC/DC-converterevaluatiebord van STMicroelectronics (Afbeelding 2). Deze GaN-kaart bereikt vermogensdichtheden van 20 watt per kubieke inch (W/in.³) met een efficiëntie van beter dan 92%.

Afbeelding 2: Het EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC-convertorevaluatiebord toont het potentieel van de hybride condensator. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Voordelen van condensators met een lage ESR-waarde voor een hoge dichtheid en een hoog rendement bij stroomlevering

De trend naar DC/DC-convertors met een hoge vermogensdichtheid in datacenters creëert unieke uitdagingen op het gebied van thermisch beheer. De toenemende vermogensdichtheid en het kleinere oppervlak van de componenten kunnen de bedrijfstemperaturen drastisch verhogen.

Het minimaliseren van de ESR van een condensator kan deze thermische uitdagingen gedeeltelijk aanpakken. Aangezien vermogensverlies de I²R-relatie volgt, verlaagt het verlagen van de weerstand direct het vermogensverlies en dus ook de warmteontwikkeling. Hierdoor is een lage ESR cruciaal voor het handhaven van veilige bedrijfstemperaturen in compacte ontwerpen.

Maar zelfs de meest efficiënte condensatoren kunnen te maken krijgen met hoge bedrijfstemperaturen als gevolg van hun omgeving. Het is dus essentieel om een condensator te kiezen die bestand is tegen de hitte van een dicht opeengepakt datacenter. Afbeelding 3 toont een selectietabel die onder andere rekening houdt met de bedrijfstemperatuur.

Afbeelding 3: Hier ziet u een selectietabel voor hybride condensators op basis van rimpelstroom, capaciteit, grootte en bedrijfstemperatuur. (Bron afbeelding: Panasonic)

Hoewel de hoge schakelfrequenties die mogelijk worden gemaakt door GaN-technologie kleinere behuizingen mogelijk maken, moet de condensatortechnologie voldoende capaciteit behouden om hoge rimpelstromen aan te kunnen. Met capaciteitsopties van 47 μF tot 680 μF en de mogelijkheid om tot 2,3 ampère (A) bij 100 kHz te verwerken, gaan de hybride condensators uit de EEH-ZL-serie deze uitdagingen aan. Ze hebben ook een gegarandeerde werking tot 135 °C en een ESR tot 14 mΩ.

Een voorbeeld is de EEH-ZL1E681P-condensator van 680 μF met een ESR van 14 mΩ en een verpakkingsdiameter van 10,0 mm.

Hoge-precisie weerstanden gebruiken voor nauwkeurige vermogensbewaking

DC/DC-convertors in datacentertoepassingen vereisen zeer nauwkeurige terugkoppeling voor vermogensregeling. Dit is vooral van kritiek belang in GaN-gebaseerde ontwerpen, waar zelfs kleine fouten in de duty-cycle feedback kunnen leiden tot gevaarlijke overspannings- of overstroomtoestanden.

Hoewel er verschillende technologieën voor stroomdetectie bestaan, zijn shuntweerstanden bijzonder aantrekkelijk voor de beperkte ruimte van servers, opslaginfrastructuur en voedingen. De hoge vermogensdichtheid van moderne ontwerpen creëert echter aanzienlijke uitdagingen voor resistieve stroomdetectie.

De belangrijkste uitdaging ligt in de thermische stabiliteit. Weerstandswaarden kunnen aanzienlijk afwijken als de bedrijfstemperatuur verandert, waardoor de meetnauwkeurigheid in gevaar kan komen. Hierdoor is de thermische weerstandscoëfficiënt (TCR) een kritische specificatie. Het moet zo laag mogelijk zijn om de meetnauwkeurigheid te handhaven over de grote temperatuurbereiken die voorkomen in datacenters.

De weerstanden uit de Panasonic ERA-8P serie (Afbeelding 4) pakken deze uitdagingen aan met verschillende innovatieve eigenschappen:

• Een ultralage TCR van ±15 ×10^-6 per graad Kelvin (K) bereikt door precisieverwerking van dunne films
• Een spanningsverminderende zachte harslaag onder de weerstand die de vorming van soldeerscheuren tijdens thermische cycli minimaliseert
• Een glad aluminiumoxide substraatoppervlak dat zorgt voor een uniforme dikte van de weerstandslaag
• Een lang, fijn serpentine-weerstandspatroon dat de concentratie van de stroombelasting verspreidt, waardoor toonaangevende weerstand tegen elektrostatische ontlading (ESD) wordt geboden.

Afbeelding 4: De weerstanden van de ERA-8P-serie zijn ontworpen voor een hoge thermische stabiliteit. (Bron afbeelding: Panasonic)

De ERA-8PEB1004V demonstreert deze mogelijkheden met specificaties die geschikt zijn voor datacenter stroombewaking:

• Een hoge grenselementspanning van 500 V bij 1 MΩ voor het bewaken van hoogspanningsvoedingsrails
• Een vermogen van 0,25 W voor minimaal stroomverlies
• Een breed terktemperatuurbereik van -55 °C tot 155 °C
• Superieure weerstand tegen elektrostatische ontlading (ESD) voor betrouwbare werking in omgevingen met veel vermogen

Wi-Fi gebruiken om energie-efficiëntie te controleren

DCIM wordt steeds complexer naarmate AI-workloads de inzet van meer servers, opslagsystemen en voedingseenheden stimuleren. Hoewel het bewaken van het stroomverbruik van deze systemen cruciaal is voor het optimaliseren van de efficiëntie, zorgen traditionele bedrade bewakingsoplossingen voor extra kosten, complexiteit en kabelbeheerproblemen die alleen maar toenemen naarmate de faciliteiten groter worden.

Draadloze bewaking biedt een elegante oplossing voor deze uitdagingen. Het maakt realtime vermogensbeheer mogelijk via spannings-, stroom- en temperatuurmetingen zonder de overhead van extra bekabeling. Deze aanpak biedt meer flexibiliteit voor het op- of afschalen van activiteiten zonder de fysieke verbindingen opnieuw te configureren.

Draadloze modules voor datacentertoepassingen moeten echter aan een aantal strenge eisen voldoen:

• Behoud betrouwbare connectiviteit in omgevingen met veel obstakels en potentiële storingsbronnen
• Minimaliseer het stroomverbruik om de algehele efficiëntie te behouden
• Passen in compacte vormfactoren om te integreren met bestaande apparatuur
• Robuuste beveiligingsfuncties bieden om gevoelige datacenterinformatie te beschermen

De Panasonic ENW-49A01A3EF PAN9320 Wi-Fi-module (Afbeelding 5) pakt deze uitdagingen aan met zijn uitgebreide functieset:

• 2,4 GHz-werking zorgt voor superieure penetratie door datacenter obstakels terwijl brede compatibiliteit wordt gegarandeerd door ondersteuning voor 802.11b/g/n standaarden.
• De energie-efficiëntie wordt behouden door een minimaal stroomverbruik van 430 milliampère (mA) voor zenden (Tx) en 160 mA voor ontvangen (Rx) in 802.11b-modus.
• Een compact opbouwontwerp van 29,0 mm × 13,5 mm × 2,66 mm vereenvoudigt de integratie.
• Ingebouwde beveiligingsfuncties, zoals TLS/SSL, HTTPS en WPA2, beschermen gevoelige informatie.

Deze mogelijkheden stellen beheerders van datacenters in staat om uitgebreide energiemonitoring te implementeren terwijl de fysieke en operationele overhead die normaal gesproken met dergelijke systemen gepaard gaat tot een minimum wordt beperkt.

Afbeelding 5: De ENW-49A01A3EF biedt een uitgebreide 2,4 GHz Wi-Fi-oplossing voor effectieve DCIM. (Bron afbeelding: Panasonic)

Conclusie

De eisen van AI-workloads vereisen een heroverweging van hun energie-infrastructuur, van de selectie van individuele componenten tot faciliteitsbrede monitoringsystemen. Panasonic's portfolio van hybride condensators, ultralage ESR-technologie, precisieweerstanden en draadloze connectiviteit biedt operators van datacenters de tools die ze nodig hebben om efficiënte, schaalbare voedingssystemen te bouwen en te onderhouden ter ondersteuning van de volgende generatie AI-toepassingen.