Moderne Komponenten zur Versorgung hochleistungsfähiger Rechensysteme in Zeiten des KI-Booms

Mit der Ausweitung von Cloud-Diensten und der plötzlichen Nachfrage nach Anwendungen künstlicher Intelligenz (KI), die auf großen Sprachmodellen (large language models, LLM) aufbauen und damit eine höhere Skalierbarkeit und enorme Rechenressourcen erfordern, schießen Rechenzentren wie Pilze aus dem Boden. Benötigt wird eine neue Generation von hochleistungsfähigen Rechensystemen für das High-Performance Computing (HPC) mit spezialisierten Komponenten, die höhere Anforderungen an Performanz und Wärmemanagement erfüllen können.

Diese Anforderungen von Rechenzentren steigern die Nachfrage nach verbesserten passiven Komponenten wie Leistungskondensatoren, Widerständen und Induktivitäten, die zur Entwicklung hochmoderner, für die KI-Verarbeitung geeigneter HPC-Geräte taugen. Zu den Anforderungen gehören unter anderem mehr Effizienz, Leistung, Zuverlässigkeit und Wärmeableitung in kleineren Komponenten, die eine Optimierung des Platzes in Rechenzentren und ihrer Systemdichte ermöglichen.

Bessere Induktivitäten für HPC-Effizienz

KEMET, eine Tochtergesellschaft der YAGEO-Gruppe, hat Metallverbund-Induktivitäten zur Verbesserung der Leistung von DC/DC-Wandlern und Schaltnetzteilen entwickelt. Aufbauend auf der Erfahrung als Hersteller maßgefertigter magnetischer Komponenten für Originalgerätehersteller hat das Unternehmen die standardisierten Leistungsinduktivitäten der Reihe METCOM MPX entwickelt, die sich durch eine höhere Stoßstrombelastbarkeit und Betriebstemperatur bei einem kompakten Design und einer hohen Performance auszeichnen.

Die METCOM-Metallverbund-Leistungsinduktivitäten bieten einen Kern mit hoher Sättigungsflussdichte, der ein stärkeres Magnetfeld als herkömmliche Ferrit-Induktivitäten ermöglicht. Sie verfügen über eine stabile Induktivität im spezifizierten Temperatur- und Strombereich.

Der Kern besteht aus Metallpulver mit einer isolierenden Beschichtung und einem Bindemittel. Der Induktivitätsbereich der Serie MPX liegt zwischen 0,1 und 100 µH.

Durch die Verwendung von rundem Kupferdraht in einem gesinterten magnetischen Metallverbundpulver (Abbildung 1) mit einer stabilen Induktivität über Temperatur und Strom eignet sich die Induktivität aufgrund ihrer Konstruktion für viele DC/DC-Regler wie Schaltnetzteile für Server in Rechenzentren sowie als Leistungsinduktivitäten, Filterinduktivitäten für elektromagnetische Störungen und Lastpunkt-Regler.

Abbildung 1: Die Induktivitäten METCOM MPX nutzen runden Kupferdraht, der von einem gesinterten magnetischen Metallverbundpulver umgeben ist. (Bildquelle: KEMET)

Metallpulver ermöglicht die Herstellung von Induktivitäten mit einer höheren Energiedichte und größerer Hitzebeständigkeit, wodurch kleinere Footprints als bei den Pendants mit Ferritkern möglich sind, wobei sie die zusätzlichen Vorteile geringerer Kernverluste bei höheren Frequenzen und einer hervorragender Unterdrückung elektromagnetischer Störungen mitbringen. All dies sorgt in Kombination für eine höhere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, was für den Betrieb von Rechenzentren unerlässlich ist.

Mit mehr als 200 Optionen innerhalb der Serie MPX (Abbildung 2) bietet KEMET eine große Auswahl. Verfügbare Abmessungen sind unter anderem: 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm und 22 x 22 mm.

Abbildung 2: Formfaktoren der METCOM MPX. (Bildquelle: KEMET)

Die MPX1D0630L3R3 ist beispielsweise ein 6 x 6 mm großes Bauteil mit einer Höhe von 3,0 mm, das eine effiziente Raumnutzung auf einer dicht bestückten Platine ermöglicht, ohne dass die Performance darunter leidet. Mit einer Nennbetriebstemperatur von bis zu +155 °C, einer Induktivität von 3,30 µH ±20 % und einem maximalen DC-Widerstand von 30,3 mΩ eignet sie sich für HPC-Umgebungen, in denen die Aufrechterhaltung der Leistungsintegrität, des Wärmemanagements und der Effizienz entscheidend ist.

Für weniger anspruchsvolle Anforderungen oder eine größere Auswahl bei den Induktivitätswerten ist die MPX1D0530L220 mit einem Footprint von 5 x 5 mm bei einer Höhe von 3,0 mm und einer Induktivität von 22,00 µH erhältlich. Mit einem höheren maximalen DC-Widerstand von 341,2 mΩ eignet sie sich für Fälle, in denen das Wärmemanagement weniger wichtig ist oder eine zusätzliche Kühlung in das System integriert ist.

Leistungsinduktivitäten in Perlenausführung als Option für HPC

Für HPC-Systeme, die allgemein eine Unterdrückung elektromagnetischer Störungen erfordern und keine besonderen Leistungsanforderungen haben, bietet ein anderes Unternehmen der YAGEO-Gruppe, Pulse Electronics, Leistungsinduktivitäten in Perlenform an, die für hohe Stromstärken optimiert sind. Sie wurden speziell für den Einsatz in TLVR-Topologien (trans-inductor voltage regulator - Transinduktor-Spannungsregler) entwickelt.

Leistungsinduktivitäten in Form von Ferritperlen sind eine Alternative zu den gewickelten Ringkern-Induktivitäten, die typischerweise bei Kernspannungsreglern (VCORE) für Desktop-Computerkerne zum Einsatz kommen. Die Perleninduktivitäten zur Durchsteckmontage (THT) bieten einen höheren Wirkungsgrad und engere Toleranzen, was eine Verkleinerung der VCORE-Regler erlaubt.

Anstatt die Rippelströme von Induktivitäten mit einer Wicklung in einer mehrphasigen Abwärts-Topologie zu staffeln, ermöglichen die Leistungsinduktivitäten in Perlenform kleinere Induktivitäten und einen Kompromiss zwischen der Geschwindigkeit, mit der der Wandler auf eine Änderung des Laststroms reagiert (Einschwingverhalten), und der Stabilität des Regelkreises.

Die Komponenten von Pulse Electronics werden in der Regel in mehrphasigen Hochstrom-Spannungsreglern eingesetzt in der Stromversorgung von Prozessoren, Speichermodulen sowie Hochstrom-ASICS und -FPGAs für Server, Grafikkarten, Speicher und Rechenzentren. Diese doppelt gewickelten TLVR-Induktivitäten sind in Formaten von 4 x 4 mm bis 13 x 13 mm mit Induktivitätsbereichen von 20 nH bis 1 µH erhältlich.

Bauteile mit dem Formfaktor der Serie PAL6373.XXXHLT (Abbildung 3), wie z.B. die PGL6380.101HLT, besitzen eine Grundfläche von 12 x 6 mm mit Induktivitäten von 100 nH bis 200 nH, Nennsättigungsströmen von 59 A bis 125 A Spitze und einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C. Sie bestehen aus einem Ferritkern über einer 1T- oder 2T-Wicklung und zeichnen sich durch einen extrem niedrigen DC-Widerstand (DCR), einen hohen Spitzenstrom und geringe AC-Verluste aus. Sie sind Versionen mit einer Phase, integrierten Phasen und gekoppelter Induktivität erhältlich.

Abbildung 3: Formfaktor der Leistungsinduktivität der Serie PAL6373.XXXHLT von Pulse Electronics. (Bildquelle: Pulse Electronics)

Bei HPC-Systemen hängt die Wahl zwischen Ferritperle und Metallverbund-Induktivität von den spezifischen Anforderungen des Systems ab, wie z. B. der erforderlichen Induktivitätsstabilität, Temperaturbeständigkeit und Rauschunterdrückung. Die Induktivitäten von KEMET bieten eine stabile Performance über einen erweiterten Temperaturbereich von bis zu +180 °C. Ihre metallisierte Struktur trägt zur Reduzierung des akustischen Rauschens bei, was in geräuschempfindlichen HPC-Systemen von Vorteil sein kann.

Stabile Kondensatoren mit langer Lebensdauer

Die Aluminium-Festelektrolytkondensatoren mit leitfähigem Polymer von KEMET eignen sich ebenfalls für die anspruchsvollen Anforderungen von HPC-Systemen, bei denen Performance, Effizienz und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Im Gegensatz zu herkömmlichen „nassen“ Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die leitfähige flüssige Elektrolyten verwenden, weisen die festen Polymere in den Kondensatoren von KEMET einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) auf, der über Temperatur, Frequenz und Nutzungsdauer hinweg stabil ist.

Mit einer Eignung für höhere Rippelströme und einer längere Lebensdauer als Flüssigelektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt eintrocknen und ausfallen kann, sind Festpolymer-Bauelemente resistenter gegen Vibrationen und auf eine höhere Stabilität ausgelegt. Sie halten ihre Kapazität bei hohen Frequenzen effektiv aufrecht, was sie zu einer attraktiven Option für schnell schaltende Netzteile macht.

Die Kondensatoren von KEMET erlauben den effektiven Einsatz bei den hohen Stromanforderungen, die für HPC-Systeme typisch sind, ohne nennenswerten Leistungsverlust, und sind aufgrund der Kombination aus leitfähigem Polymer und Elektrolyt für höhere Spannungen als Bauelemente mit Standard-Elektrolyten geeignet. Die verbesserten elektrischen Eigenschaften und die Robustheit von Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren können den Wirkungsgrad und die Systemzuverlässigkeit von HPC-Systemen im Vergleich zu Alternativen erheblich steigern.

Die oberflächenmontierten Kondensatoren der Serie A768 von KEMET (Abbildung 4) sind für eine längere Lebensdauer und größere Stabilität über einen großen Temperaturbereich ausgelegt. Sie werden mit Werten im Bereich von 18 µF bis 1.200 µF und mit Spannungen von 4 V_DC bis 80 V_DC angeboten. Der A768MS108M1CLAE015 ist zum Beispiel eine Variante mit 16 V, 1000 µF, einem Nenn-ESR von 15 mOhm und einem Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +125 °C. Seine Grundfläche beträgt 10,30 mm x 10,30 mm.

Abbildung 4: Oberflächenmontierbarer Aluminiumkondensator der Serie A768 von KEMET mit festem Polymer. (Bildquelle: KEMET)

Diese Kondensatoren sind so konstruiert, dass sie auch unter anspruchsvollen thermischen Bedingungen ihre Performance beibehalten. Für HPC-Umgebungen, in denen mechanische Beanspruchung oder Bewegungen zu Instabilität führen können, sind Versionen erhältlich, die Vibrationen bis zu 30 g standhalten.

Dünnschicht-Chipwiderstände

Eine weitere wichtige Komponente für HPC-Entwicklungen sind Chipwiderstände, die Wechselrichter und Kondensatoren ergänzen, um vor übermäßigem Stromfluss zu schützen und die Gesamtstabilität sowie die Effizienz eines Systems zu gewährleisten. Im Jahr 2023 stellte die YAGEO-Gruppe ihre Tantalnitrid-Dünnschicht-Chipwiderstände der Serie NT vor, die für eine gleichbleibend hohe Performance in anspruchsvollen Umgebungen konzipiert sind.

Das selbstpassivierende Design der Serie NT bildet eine wasserdichte Schicht zum Schutz der resistiven Schicht Ebene gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Die Komponenten sind in Gehäusegrößen von 0402 bis 1206 erhältlich mit einem Widerstandsbereich von 100 Ω bis 481 kΩ.

Dank eines großen Betriebstemperaturbereichs von -55 °C bis +155 °C erlauben die Widerstände der Serie NT eine stabile Stromverteilung und eine effiziente Energieübertragung. Sie bieten einen Niedertemperatur-Widerstandskoeffizienten (TCR) von ±25, ±50 ppm/°C bei Nennleistungen von 1/20 W bis 2/5 W.

Fazit:

Die Nachfrage nach Cloud Computing und künstlicher Intelligenz (KI) erhöhen den Bedarf an elektronischen Komponenten mit spezifischen Eigenschaften, die eine hohe Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen gewährleisten. Die steigenden Anforderungen von HPC-Systemen lassen sich mit spezialisierten Leistungsinduktivitäten, Widerständen und Kondensatoren erfüllen, wie sie von der YAGEO-Gruppe und ihren Tochterunternehmen KEMET und Pulse Electronics angeboten werden.