Garantir une gestion efficace de l'alimentation pour les data centers d'IA

L'essor de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (ML) a entraîné des besoins énergétiques sans précédent. La prochaine génération de data centers fait face à des défis considérables en matière de gestion de l'alimentation, de rendement et de fiabilité. Les solutions d'alimentation traditionnelles ont souvent du mal à répondre à ces exigences au niveau des composants individuels et de la gestion de l'infrastructure de data center (DCIM) globale. Les composants d'alimentation avancés et les solutions de surveillance intégrées offrent une approche globale pour relever ces défis.

Par exemple, les condensateurs hybrides fournissent une distribution d'alimentation stable ; les solutions à résistance série équivalente (ESR) ultrafaible sont efficaces pour la conversion de puissance à fort courant ; les résistances de haute précision permettent une surveillance précise de l'alimentation ; et l'intégration sans fil offre une gestion de l'alimentation complète.

Cet article explore comment ces éléments contribuent à créer des systèmes de gestion de l'alimentation robustes pour les data centers basés sur l'IA. Il présente ensuite des solutions de Panasonic dans ces quatre domaines et démontre leur application dans les environnements de data centers modernes.

Distribution d'alimentation efficace dans les data centers grâce à la technologie de condensateurs hybrides

Les data centers modernes requièrent une conversion de puissance intensive. Il est fréquent qu'ils aient besoin de centaines de kilovolts CA (kVCA) depuis le réseau. Cette tension est d'abord abaissée à des dizaines de kVCA pour être distribuée sur le campus de data centers. Elle est ensuite convertie en centaines de VCA pour être distribué aux racks d'équipement.

Au niveau du rack, l'alimentation CA est convertie en courant continu, généralement 12 volts CC (VCC), pour répondre aux exigences des équipements informatiques. Enfin, au sein de chaque équipement, la tension est encore régulée à des niveaux inférieurs, souvent entre 1,1 V et 5 V, pour alimenter les composants individuels tels que les processeurs et les modules de mémoire.

Chaque étape de cette chaîne introduit des pertes qui peuvent avoir un impact significatif sur le rendement global du data center. Les concepteurs d'alimentations de data centers adoptent de plus en plus des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) comme le nitrure de gallium (GaN) pour minimiser les pertes dans les étapes de conversion ultérieures. Comparés au silicium (Si) traditionnel, les dispositifs WBG atteignent un rendement supérieur grâce à des fréquences de commutation plus élevées et des pertes par conduction plus faibles.

Cependant, la technologie de condensateurs utilisée dans ces convertisseurs pose des défis de conception importants. Les concepteurs de systèmes d'alimentation disposent traditionnellement de deux technologies de condensateurs éprouvées : les condensateurs électrolytiques en aluminium conventionnels, qui présentent un faible courant de fuite, et les condensateurs polymères, qui présentent des caractéristiques ESR exceptionnelles. Les condensateurs électrolytiques en aluminium hybrides série EEH de Panasonic (Figure 1) constituent une troisième option qui combine les atouts des deux types pour minimiser les pertes dues au courant de fuite et à la résistance ESR.

Figure 1 : Les condensateurs électrolytiques en aluminium hybrides série EEH minimisent les pertes dues au courant de fuite et à la résistance ESR. (Source de l'image : Panasonic)

Les condensateurs hybrides présentent d'autres avantages, y compris une fiabilité accrue grâce aux modes de défaillance de circuit ouvert et au maintien de leur capacité nominale à des fréquences beaucoup plus élevées que les conceptions traditionnelles. Alors que les condensateurs conventionnels commencent à perdre en efficacité à des fréquences de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz (kHz), les condensateurs hybrides conservent leurs performances à des fréquences proches de 1 mégahertz (MHz). Cette fréquence de fonctionnement plus élevée permet l'utilisation de condensateurs plus petits, ce qui permet aux concepteurs de créer des convertisseurs plus compacts ou de libérer de l'espace sur la carte pour des fonctionnalités supplémentaires.

Le dispositif EEH-ZA1V151P est un exemple typique de condensateur hybride. Ce dispositif de 150 microfarads (µF) et 35 V maintient une faible résistance ESR de 27 milliohms (mΩ), présente une plage de températures de fonctionnement de -55°C à environ +105°C, et offre une durée de vie de 10 000 heures (h) (à +105°C). Son adéquation aux applications de data centers est démontrée par la carte d'évaluation de convertisseur CC/CC EVLMG1-250WLLC de STMicroelectronics (Figure 2). Cette carte GaN atteint des densités de puissance de 20 watts par pouce cube (W/po³) avec un rendement supérieur à 92 %.

Figure 2 : La carte d'évaluation de convertisseur CC/CC GaN EVLMG1-250WLLC démontre le potentiel du condensateur hybride. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Avantages des condensateurs à faible ESR pour une alimentation haute densité et haut rendement

La tendance en faveur de convertisseurs CC/CC à haute densité de puissance dans les data centers crée des défis de gestion thermique uniques. L'augmentation de la densité de puissance et la réduction de la surface des composants peuvent entraîner une hausse spectaculaire des températures de fonctionnement.

Réduire la résistance ESR d'un condensateur peut en partie résoudre ces défis thermiques. Étant donné que la perte de puissance suit la relation I²R, la réduction de la résistance diminue directement la perte de puissance et, par conséquent, la production de chaleur. C'est pourquoi une faible résistance ESR est cruciale pour maintenir des températures de fonctionnement sûres dans les conceptions compactes.

Cependant, même les condensateurs les plus efficaces peuvent subir des températures de fonctionnement élevées en raison de leur environnement. Il est donc essentiel de sélectionner un condensateur capable de résister à la chaleur d'un data center très dense. La Figure 3 montre un schéma de sélection qui prend en compte la température de fonctionnement, entre autres considérations.

Figure 3 : Guide de sélection pour les condensateurs hybrides en fonction du courant ondulé, de la capacité, de la taille et de la température de fonctionnement. (Source de l'image : Panasonic)

Bien que les fréquences de commutation élevées rendues possibles par la technologie GaN permettent des boîtiers plus petits, la technologie des condensateurs doit maintenir une capacité adéquate pour gérer les forts courants ondulés. Avec des options de capacité de 47 μF à 680 μF et la prise en charge de 2,3 ampères (A) à 100 kHz, les condensateurs hybrides série EEH-ZL répondent à ces défis. Ils présentent également un fonctionnement garanti jusqu'à +135°C et une résistance ESR de seulement 14 mΩ.

Un exemple est le condensateur EEH-ZL1E681P de 680 μF, qui présente une résistance ESR de 14 mΩ et un diamètre de boîtier de 10,0 mm.

Utilisation de résistances haute précision pour une surveillance précise de l'alimentation

Les convertisseurs CC/CC dans les applications de data centers requièrent un retour très précis pour le contrôle de l'alimentation. Cela est particulièrement critique dans les conceptions basées GaN, où même des erreurs mineures dans le retour du rapport cyclique peuvent entraîner des conditions de surtension ou de surintensité dangereuses.

Bien qu'il existe différentes technologies de détection du courant, les résistances shunt sont particulièrement intéressantes pour les environnements à espace restreint typiques des serveurs, des infrastructures de stockage et des alimentations. Cependant, la haute densité de puissance des conceptions modernes génère des défis importants pour la détection du courant résistif.

Le principal défi réside dans la stabilité thermique. Les valeurs de résistance peuvent varier de manière significative en fonction des températures de fonctionnement, ce qui peut compromettre la précision des mesures. C'est pourquoi le coefficient de température de résistance (TCR) constitue une spécification critique. Il doit être aussi faible que possible pour maintenir la précision des mesures sur les vastes plages de températures observées dans les opérations de data centers.

Les résistances série ERA-8P de Panasonic (Figure 4) répondent à ces défis grâce à plusieurs fonctionnalités innovantes :

• TCR ultrafaible de ±15 × 10^-6 par degré Kelvin (K) obtenu grâce à un traitement de couche mince de précision
• Couche de résine souple réduisant les contraintes sous la résistance, qui minimise la formation de fissures de soudure pendant le cyclage thermique
• Surface de substrat en alumine lisse garantissant une épaisseur de film résistif uniforme
• Modèle de résistance en serpentin long et fin qui disperse la concentration de charge de courant, offrant une protection contre les décharges électrostatiques (DES) de pointe

Figure 4 : Les résistances série ERA-8P sont conçues pour une haute stabilité thermique. (Source de l'image : Panasonic)

L'ERA-8PEB1004V démontre ces capacités avec des spécifications adaptées à la surveillance de l'alimentation dans les data centers :

• Tension d'élément de limitation élevée de 500 V à 1 MΩ pour la surveillance des rails d'alimentation haute tension
• Puissance nominale de 0,25 W garantissant une perte de puissance minimale
• Vaste plage de températures de fonctionnement de-55°C à +155°C
• Résistance supérieure aux décharges électrostatiques (DES) pour un fonctionnement fiable dans les environnements haute puissance

Utiliser le Wi-Fi pour surveiller le rendement énergétique

La gestion de l'infrastructure des data centers fait face à une complexité croissante à mesure que les charges de travail d'IA entraînent le déploiement d'un plus grand nombre de serveurs, de systèmes de stockage et de blocs d'alimentation. Bien que la surveillance de la consommation d'énergie de ces systèmes soit essentielle pour optimiser le rendement, les solutions de surveillance filaires traditionnelles augmentent les coûts, la complexité et les problèmes de gestion des câbles qui ne font que s'aggraver à mesure que les installations s'agrandissent.

La surveillance sans fil offre une solution efficace à ces défis. Elle permet une gestion de l'alimentation en temps réel grâce à des mesures de tension, de courant et de température sans la surcharge d'un câblage supplémentaire. Cette approche offre une plus grande flexibilité pour dimensionner les opérations sans reconfigurer les connexions physiques.

Cependant, les modules sans fil pour les applications de data centers doivent répondre à plusieurs exigences strictes :

• Maintenir une connectivité fiable dans les environnements présentant de nombreux obstacles et sources d'interférences potentielles
• Réduire la consommation d'énergie pour maintenir les gains de rendement globaux
• Être compatibles avec des facteurs de forme compacts pour s'intégrer aux équipements existants
• Fournir des fonctionnalités de sécurité robustes pour protéger les informations sensibles des data centers

Le module Wi-Fi PAN9320 ENW-49A01A3EF de Panasonic (Figure 5) répond à ces défis grâce à son ensemble complet de fonctionnalités :

• Le fonctionnement à 2,4 GHz offre une pénétration supérieure à travers les obstacles du data center tout en garantissant une large compatibilité grâce à la prise en charge des normes 802.11b/g/n.
• Le rendement énergétique est maintenu grâce à une consommation d'énergie de transmission (Tx) minimum de 430 milliampères (mA) pour la transmission (Tx) et de 160 mA pour la réception (Rx) en mode 802.11b.
• La conception à montage en surface compacte de 29,0 mm × 13,5 mm × 2,66 mm simplifie l'intégration.
• Les fonctionnalités de sécurité intégrées, telles que TLS/SSL, HTTPS et WPA2, protègent les informations sensibles.

Ces capacités permettent aux opérateurs de data centers de mettre en œuvre une surveillance complète de l'alimentation tout en minimisant les frais physiques et opérationnels généralement associés à ces systèmes.

Figure 5 : L'ENW-49A01A3EF offre une solution Wi-Fi 2,4 GHz complète pour une gestion DCIM efficace. (Source de l'image : Panasonic)

Conclusion

Les exigences des charges de travail d'IA impliquent de repenser l'infrastructure d'alimentation, de la sélection des composants individuels aux systèmes de surveillance à l'échelle de l'installation. Le portefeuille de condensateurs hybrides, de technologies d'ESR ultrafaible, de résistances de précision et de produits de connectivité sans fil de Panasonic fournit aux opérateurs de data centers les outils dont ils ont besoin pour créer et maintenir des systèmes d'alimentation efficaces et évolutifs afin de prendre en charge les applications d'IA de nouvelle génération.