Des composants modernes pour alimenter les systèmes HPC des data centers en plein essor de l'IA

La croissance des data centers explose avec l'expansion des services cloud et la demande soudaine d'applications d'intelligence artificielle (IA) dépendant de grands modèles de langage (LLM) qui requièrent une plus grande évolutivité et de vastes ressources de calcul. Une nouvelle génération de systèmes de calcul à haute performance (HPC) est nécessaire, utilisant des composants spécialisés capables de répondre à des exigences plus élevées en matière de gestion énergétique et thermique.

Ces besoins de data centers stimulent la demande de composants passifs améliorés, tels que des résistances, des inductances et des condensateurs de puissance, que les concepteurs de produits peuvent utiliser pour développer des dispositifs HPC plus avancés afin de répondre aux exigences de traitement de l'IA. Ces exigences incluent une efficacité, des performances, une fiabilité et une gestion thermique accrues dans des dispositifs plus petits qui permettent aux data centers d'optimiser l'espace et d'augmenter la densité de leurs systèmes.

De meilleures inductances pour l'efficacité HPC

KEMET, une filiale de YAGEO Group, a développé des inductances composites métalliques pour améliorer les performances des alimentations à découpage et des convertisseurs CC/CC. Forte de son expérience en tant que fournisseur de composants magnétiques personnalisés pour les équipementiers, l'entreprise a développé une ligne standardisée d'inductances de puissance METCOM MPX, se caractérisant par une tolérance supérieure aux transitoires de courant et par des températures de fonctionnement plus élevées, et offrant une conception compacte et de hautes performances.

Les inductances de puissance composites métalliques METCOM présentent une densité de flux de saturation élevée, permettant un champ magnétique plus fort qu'avec les inductances en ferrite traditionnelles. Elles fournissent une inductance stable en fonction de la température et du courant.

Le noyau est constitué de poudre métallique avec un revêtement isolant et un liant. La plage d'inductances disponible pour la série MPX est de 0,1 µH à 100 µH.

Utilisant un fil de cuivre rond entouré d'une poudre composite métallique magnétique frittée (Figure 1) capable d'une inductance stable en fonction de la température et du courant, la construction de l'inductance convient à de nombreux régulateurs CC/CC tels que les alimentations à découpage pour les serveurs de data centers, comme inductances de puissance, inductances de filtre EMI et régulateurs de point de charge.

Figure 1 : Les inductances de puissance METCOM MPX utilisent un fil de cuivre rond entouré d'une poudre composite métallique magnétique frittée. (Source de l'image : KEMET)

La poudre métallique facilite la production d'inductances avec une densité d'énergie plus élevée et une plus grande résistance à la chaleur, permettant des empreintes plus petites par rapport aux inductances à noyau de ferrite, avec les avantages supplémentaires de pertes dans le noyau plus faibles à plus hautes fréquences et de suppression supérieure des interférences électromagnétiques (EMI). Tous ces éléments se combinent pour offrir une durabilité et une fiabilité accrues, essentielles au fonctionnement des data centers.

Avec plus de 200 options dans la série MPX (Figure 2), KEMET propose un large éventail de choix. Les dimensions disponibles incluent 5 mm x 5 mm, 6 mm x 6 mm, 8 mm x 8 mm, 10 mm x 10 mm, 12 mm x 12 mm, 17 mm x 17 mm et 22 mm x 22 mm.

Figure 2 : Facteur de forme METCOM MPX. (Source de l'image : KEMET)

Le MPX1D0630L3R3, par exemple, est un composant de 6 mm x 6 mm avec une hauteur de 3,0 mm, qui permet une utilisation efficace de l'espace sur un circuit imprimé très dense sans sacrifier les performances. Avec une température de fonctionnement nominale jusqu'à +155°C, une inductance de 3,30 µH ±20 % et une résistance en courant continu maximum de 30,3 mΩ, il convient aux environnements HPC dans lesquels le maintien de l'intégrité de l'alimentation, la gestion thermique et le rendement sont essentiels.

Pour des exigences moins rigoureuses ou une plus grande polyvalence concernant les valeurs d'inductance, le MPX1D0530L220 est disponible dans une empreinte de 5 mm x 5 mm avec une hauteur de 3,0 mm, et avec une inductance de 22,00 µH. Avec une résistance en courant continu maximum plus élevée de 341,2 mΩ, il convient dans les cas où la gestion thermique est moins importante ou lorsqu'un refroidissement supplémentaire est intégré dans le système.

Options d'inductances à perles de puissance pour HPC

Dans les systèmes HPC où une suppression générale des EMI est requise sans exigences de performances strictes, une autre société YAGEO, Pulse Electronics, propose des inductances à perles de puissance optimisées pour la haute tenue en courant. Elles sont conçues spécifiquement pour être utilisées avec la topologie TLVR (régulateur de tension à trans-inductance).

Les inductances à perles de puissance à noyau de ferrite constituent une alternative aux inductances toroïdales bobinées qui alimentent généralement les régulateurs VCORE. Fabriquées avec la technologie à trous traversants (THT), les inductances à perles de puissance offrent un plus haut rendement et des tolérances plus strictes, permettant un format plus compact dans les régulateurs VCORE.

Plutôt que d'échelonner les courants ondulés des inductances à un seul enroulement dans une topologie de type abaisseur polyphasé, les inductances à perles de puissance permettent des inductances plus petites et un compromis de conception entre la rapidité avec laquelle le convertisseur répond à un changement du courant de charge (réponse transitoire) et la stabilité de la boucle de commande.

Les composants de Pulse Electronics sont typiquement utilisés dans les régulateurs de tension polyphasés à fort courant qui alimentent les processeurs, les modules de mémoire, et les circuits ASIC et les FPGA à fort courant pour les serveurs, les cartes graphiques, le stockage et les data centers. Ces inductances TLVR à double enroulement sont disponibles dans des empreintes s'étendant de 4 mm x 4 mm à 13 mm x 13 mm avec des plages d'inductances de 20 nH à 1 µH.

Les composants de la série PAL6373.XXXHLT (Figure 3), tels que le PGL6380.101HLT, sont disponibles dans une empreinte de 12 mm x 6 mm avec des valeurs d'inductance s'étendant de 100 nH à 200 nH, des courants de saturation nominaux de 59 A à 125 A crête et une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C. Construits avec un noyau de ferrite assemblé sur un enroulement 1T ou 2T, ils présentent une résistance en courant continu (DCR) extrêmement faible, un courant de crête élevé et de faibles pertes CA. Ils sont disponibles en versions monophasées, à phases intégrées et à inductances couplées.

Figure 3 : Facteur de forme de l'inductance à perle de puissance série PAL6373.XXXHLT de Pulse Electronics. (Source de l'image : Pulse Electronics)

Pour les systèmes HPC, le choix entre les inductances à perles de puissance et les types composites métalliques dépend des exigences spécifiques du système, telles que la nécessité d'une stabilité d'inductance élevée, d'une résistance à la température et d'une réduction du bruit. Les inductances de KEMET offrent des performances stables sur une plage de températures étendue, jusqu'à +180°C, et leur structure métallique moulée contribue à réduire le bruit acoustique, ce qui peut être un avantage dans les systèmes HPC sensibles au bruit.

Condensateurs stables à longue durée de vie

Les condensateurs électrolytiques en aluminium polymère conducteur de KEMET sont également bien adaptés aux exigences strictes des systèmes HPC, dans lesquels les performances, l'efficacité et la fiabilité sont essentielles.

Contrairement aux condensateurs à électrolyte liquide aluminium traditionnels qui utilisent des électrolytes liquides conducteurs, les polymères solides des condensateurs de KEMET présentent une faible résistance série équivalente (ESR), qui est stable sur les températures, les fréquences et la durée de vie opérationnelle.

Permettant des courants ondulés plus élevés et une durée de vie plus longue que les condensateurs à électrolyte liquide dans lesquels l'électrolyte peut sécher et se dégrader, les dispositifs à polymère solide sont plus résistants aux vibrations et conçus pour une plus grande stabilité. Ils maintiennent efficacement la capacité aux hautes fréquences, et constituent une option intéressante pour les alimentations à commutation rapide.

Les condensateurs de KEMET fonctionnent efficacement aux exigences de fort courant typiques des systèmes HPC sans perte de puissance significative, et ils acceptent des tensions plus élevées par rapport aux condensateurs électrolytiques standard grâce à la combinaison de polymère conducteur et d'électrolyte. Les propriétés électriques améliorées et la robustesse des condensateurs électrolytiques aluminium polymère peuvent considérablement augmenter l'efficacité et la fiabilité globales des systèmes HPC par rapport aux alternatives.

Conçus pour offrir une durée de vie plus longue et une plus grande stabilité sur une large plage de températures, les condensateurs à montage en surface série A768 de KEMET (Figure 4) sont proposés avec des valeurs de 18 µF à 1200 µF et des tensions de 4 V_CC à 80 V_CC. Par exemple, l'A768MS108M1CLAE015 est une version 16 V, 1000 µF avec une valeur ESR de 15 mΩ et une plage de températures de fonctionnement de -55°C ~ +125°C. Il a une plage de contact de 10,30 mm de longueur x 10,30 mm de largeur.

Figure 4 : Condensateur électrolytique aluminium polymère à montage en surface série A768 de KEMET. (Source de l'image : KEMET)

Ces condensateurs sont conçus pour maintenir les performances en conditions thermiques exigeantes. Pour les environnements HPC dans lesquels des contraintes mécaniques ou des mouvements peuvent entraîner une instabilité, des versions résistant à des vibrations jusqu'à 30 g sont disponibles.

Résistances pavés à couches minces

Les résistances pavés, qui s'ajoutent aux onduleurs et aux condensateurs pour protéger contre un flux de courant excessif et garantir la stabilité et l'efficacité globales d'un système, constituent un autre composant important pour les conceptions HPC. En 2023, YAGEO Group a présenté sa série NT de résistances pavés à couches minces en nitrure de tantale, conçues pour maintenir des performances élevées et constantes dans les environnements exigeants.

La conception à auto-passivation de la série NT forme une couche étanche qui protège la couche résistive afin d'empêcher la pénétration d'humidité. Les dispositifs sont disponibles dans des formats de boîtier s'étendant de 0402 à 1206, avec une plage de résistances de 100 Ω à 481 kΩ.

Avec une large plage de températures de fonctionnement de -55°C à +155°C, les résistances NT contribuent à une distribution de puissance stable et à un transfert d'énergie efficace. Elles fournissent un faible coefficient de température de résistance (TCR) de ±25, ±50 ppm/°C, avec des puissances nominales de 1/20 W à 2/5 W.

Conclusion

Les exigences du cloud computing et de l'IA entraînent le besoin de composants électroniques dotés d'attributs spécifiques pour offrir une haute fiabilité en conditions exigeantes. Les concepteurs peuvent répondre aux exigences en constante évolution des systèmes HPC grâce à des inductances de puissance, des résistances et des condensateurs spécialisés, tels que les produits proposés par YAGEO Group et ses filiales KEMET et Pulse Electronics.