Moderne componenten voor HPC-systemen in datacenters te midden van AI-groei

De groei van datacenters neemt gestaag toe als gevolg van de uitbreiding van cloudservices en de plotselinge vraag naar AI-applicaties (kunstmatige intelligentie) op basis van grote taalmodellen (LLM’s) die een grotere schaalbaarheid en enorme rekenkracht vereisen. Dit vereist een nieuwe generatie van HPC-systemen (high-performance computing) met gebruik van gespecialiseerde componenten die kunnen voldoen aan hogere eisen op het gebied van stroom- en thermisch beheer.

Deze datacenterbehoeften stimuleren de vraag naar verbeterde passieve componenten zoals voedingscondensatoren, weerstanden en inductoren die productontwerpers kunnen gebruiken bij de ontwikkeling van geavanceerdere HPC-apparaten om te voldoen aan de vereisten voor AI-verwerking. Deze vereisten omvatten een grotere efficiëntie, betere prestaties, hogere betrouwbaarheid en goed thermisch beheer in kleinere apparaten waarmee datacenters de ruimte kunnen optimaliseren en de dichtheid van hun systemen kunnen verhogen.

Betere inductoren voor HPC-efficiëntie

KEMET, een dochteronderneming van YAGEO Group, heeft metaalcomposietspoelen ontwikkeld om de prestaties van DC-DC converters en schakelende voedingen te verbeteren. Door gebruik te maken van hun ervaring als leverancier van magnetische componenten op maat voor OEM’s, ontwikkelde het bedrijf een gestandaardiseerde lijn METCOM MPX-vermogensspoelen met een hogere tolerantie voor stroomtransiënten en hogere bedrijfstemperaturen, voor zowel een compact ontwerp als betere prestaties.

METCOM metaalcomposiet-vermogensspoelen hebben een kern met hoge verzadigingsfluxdichtheid, die een sterker magnetisch veld mogelijk maakt dan traditionele ferrietspoelen. Ze bieden een stabiele inductantie bij verschillende temperaturen en stroomsterkten.

De kern bestaat uit metaalpoeder met een isolerende coating en bindmiddel. Het inductantiebereik dat beschikbaar is voor de MPX-serie is 0,1 tot 100 µH.

De ronde koperdraad omgeven door een gesinterd magnetisch metaalcomposietpoeder (afbeelding 1) biedt een stabiele inductantie bij verschillende temperaturen en stroomsterkten. De inductorconstructie is geschikt voor veel DC-naar-DC-regelaars zoals schakelende voedingen voor datacenterservers, vermogensspoelen, EMI-filterspoelen en point-of-load-regelaars.

Afbeelding 1: METCOM MPX-vermogensspoelen bevatten ronde koperdraad omgeven door een gesinterd magnetisch metaalcomposietpoeder. (Bron afbeelding: KEMET)

Dankzij het gebruik van metaalpoeder is het mogelijk om inductoren met een hogere energiedichtheid en grotere hittebestendigheid te produceren, waardoor kleinere voetafdrukken mogelijk zijn dan bij spoelen met een ferrietkern. Daarnaast zijn er extra voordelen zoals lagere kernverliezen bij hogere frequenties en superieure onderdrukking van elektromagnetische interferentie (EMI). Dit resulteert in een grotere duurzaamheid en betrouwbaarheid, wat essentieel is voor de werking van datacenters.

Met meer dan 200 opties in de MPX-serie (afbeelding 2) biedt KEMET een breed scala aan keuzes. Beschikbare afmetingen zijn 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm en 22 x 22 mm.

Afbeelding 2: METCOM MPX-vormfactor. (Bron afbeelding: KEMET)

Zo is de MPX1D0630L3R3 bijvoorbeeld een component van 6 x 6 mm met een hoogte van 3,0 mm die een efficiënt gebruik van de ruimte op een dicht opeengepakte printplaat mogelijk maakt zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Met een nominale bedrijfstemperatuur tot +155 °C, een inductantie van 3,30 µH ±20% en een maximale DC-weerstand van 30,3 mΩ is deze component geschikt voor HPC-omgevingen waar het behoud van stroomintegriteit, thermisch beheer en efficiëntie cruciaal is.

Voor minder strenge eisen of een grotere veelzijdigheid met betrekking tot inductiewaarden wordt de MPX1D0530L220 geleverd met een voetafdruk van 5 x 5 mm, een hoogte van 3,0 mm en een inductie van 22,00 µH. Dankzij een hogere maximale DC-weerstand van 341,2 mΩ zou deze geschikt zijn in gevallen waarin thermisch beheer minder belangrijk is of als er extra koeling in het systeem is ingebouwd.

Opties voor power bead inductoren voor HPC

In HPC-systemen waar algemene EMI-onderdrukking nodig is zonder strenge prestatie-eisen, biedt een ander bedrijf van YAGEO, Pulse Electronics, zogeheten ‘power bead inductoren’ die geoptimaliseerd zijn voor hoge stroomverwerking. Ze zijn speciaal ontworpen voor gebruik met TLVR-topologie (trans-inductor voltageregelaar).

Power bead inductoren met ferrietkern zijn een alternatief voor de ringkernspoelen die doorgaans de spanningsregelaars met desktopkern (VCORE) voeden. Power bead inductoren zijn vervaardigd met through-hole technologie (THT) en leveren een hogere efficiëntie en strakkere toleranties, waardoor ze kleiner kunnen worden in VCORE-regelaars.

In plaats van het spreiden van de rimpelspanningen van spoelen met een enkele wikkeling in een meerfasige buck-topologie, hebben power bead inductoren kleinere inductanties. Dit maakt een ontwerpafweging mogelijk tussen hoe snel de omzetter reageert op een verandering in de belastingsstroom (transiënte respons) t.o.v. de stabiliteit van de regelkring.

De componenten van Pulse Electronics worden doorgaans gebruikt in meerfasige spanningsregelaars met hoge stroomsterkte die processors, geheugenmodules en ASICS en FPGA’s met hoge stroomsterkte voeden voor servers, grafische kaarten, opslag en datacenters. Deze TLVR-inductoren met dubbele wikkeling zijn verkrijgbaar in voetafdrukken van 4 x 4 mm tot 13 x 13 mm en een inductiebereik van 20 nH tot 1 µH.

Onderdelen in de vormfactor van de PAL6373.XXXHLT-serie (afbeelding 3), zoals de PGL6380.101HLT, hebben een voetafdruk van 12 x 6 mm met inducties van 100 nH tot 200 nH, verzadigingsstromen van 59 A tot 125 A piek en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C. Ze zijn gemaakt met een ferrietkern over een 1T- of 2T-wikkeling en hebben een extreem lage DC-weerstand (DCR), hoge piekstroom en lage AC-verliezen. Ze zijn verkrijgbaar in enkelfasige, geïntegreerde fasen en gekoppelde inductorversies.

Afbeelding 3: Vormfactor van de PAL6373.XXXHLT-serie power bead inductoren van Pulse Electronics. (Bron afbeelding: Pulse Electronics)

Voor HPC-systemen hangt de keuze tussen power bead inductoren en metalen composietspoelen af van de specifieke vereisten van het systeem, zoals de behoefte aan een hoge inductiestabiliteit, temperatuurbestendigheid en ruisonderdrukking. De KEMET-inductoren bieden stabiele prestaties over een groot temperatuurbereik, tot +180 °C, en hun gegoten metalen structuur verlaagt akoestische ruis, wat voordelig kan zijn in geluidsgevoelige HPC-systemen.

Stabiele condensatoren met een lange levensduur

De geleidende polymeer aluminium vaste elektrolytische condensatoren van KEMET zijn ook zeer geschikt voor de veeleisende vereisten van HPC-systemen, waar prestaties, efficiëntie en betrouwbaarheid cruciaal zijn.

In tegenstelling tot traditionele ‘natte’ aluminium elektrolytische condensatoren die geleidende vloeibare elektrolyten gebruiken, hebben de vaste polymeren in KEMET-condensatoren een lage equivalente serieweerstand (ESR) die stabiel is over temperaturen, frequenties en operationele levensduur.

Vaste polymeercondensatoren kunnen hogere rimpelstromen aan en hebben een langere levensduur dan natte condensatoren, waarin de elektrolyt kan uitdrogen en defect kan raken. Bovendien zijn ze beter bestand tegen trillingen en ontworpen voor een grotere stabiliteit. Ze handhaven de capaciteit effectief bij hoge frequenties, waardoor ze een aantrekkelijke optie zijn voor snel schakelende voedingen.

KEMET-condensatoren werken effectief onder de hoge stroomvereisten die typisch zijn voor HPC-systemen zonder significant vermogensverlies. Daarnaast kunnen ze hogere spanningen aan in vergelijking met standaard elco’s dankzij de combinatie van geleidend polymeer en elektrolyt. De verbeterde elektrische eigenschappen en robuustheid van polymeer aluminium vaste elektrolytische condensatoren kunnen de algemene efficiëntie en betrouwbaarheid van HPC-systemen aanzienlijk verbeteren in vergelijking met alternatieven.

De A768-serie opbouwcondensatoren (afbeelding 4) van KEMET zijn ontworpen voor een langere levensduur en een grotere stabiliteit over een breed temperatuurbereik. Deze condensatoren worden geleverd met een capaciteit van 18 µF tot 1200 µF en voor spanningen van 4 V_DC tot 80 V_DC. Zo is de A768MS108M1CLAE015 bijvoorbeeld een 16 V, 1000 µF versie met een ESR-waarde van 15 mOhm en een bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C ~ +125 °C. De condensator heeft een landing pad van 10,30 mm x 10,30 mm.

Afbeelding 4: Een KEMET A768-serie vaste polymeer aluminium opbouwcondensator. (Bron afbeelding: KEMET)

Deze condensatoren zijn ontworpen voor blijvende prestaties onder veeleisende thermische omstandigheden. Er zijn versies beschikbaar die bestand zijn tegen trillingen tot 30 g voor HPC-omgevingen waar mechanische spanning of beweging instabiliteit kan veroorzaken.

Dunnefilm chipweerstanden

Een ander belangrijk onderdeel voor HPC-ontwerpen zijn chipweerstanden als aanvulling op vermogensomvormers en condensatoren. Deze bieden bescherming tegen overmatige stroomafgifte en garanderen de algehele stabiliteit en efficiëntie van een systeem. In 2023 introduceerde YAGEO Group zijn NT-serie tantaalnitride dunnefilm chipweerstanden, ontworpen voor behoud van hoge consistentie in veeleisende omgevingen.

Het zelf-passiverende ontwerp van de NT-serie vormt een waterdichte laag die de weerstandslaag afschermt om binnendringen van vocht te voorkomen. De componenten zijn verkrijgbaar in behuizingen van 0402 tot 1206, met een weerstandsbereik van 100 Ω tot 481 kΩ.

Dankzij een breed bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot +155 °C dragen NT-weerstanden bij aan een stabiele stroomverdeling en efficiënte energieoverdracht. Ze hebben een lage temperatuurcoëfficiënt (TCR) van ±25 ppm/°C, ±50 ppm/°C en een vermogen van 1/20 W tot 2/5 W.

Conclusie

Dankzij de eisen van cloud computing en AI is er steeds meer behoefte aan elektronische componenten met specifieke eigenschappen voor een hoge betrouwbaarheid onder veeleisende omstandigheden. Ontwerpers kunnen aan deze veranderende vereisten voor HPC-systemen voldoen met gespecialiseerde power inductoren, weerstanden en condensatoren, zoals die van de YAGEO Group en zijn portfoliobedrijven KEMET en Pulse Electronics.