Come garantire una gestione efficace dell'alimentazione ai data center IA

L'ascesa dell'intelligenza artificiale (IA) e dell'apprendimento automatico (ML) ha creato una domanda di potenza senza precedenti. La prossima generazione di data center deve affrontare grandi sfide in termini di gestione dell'alimentazione, di efficienza e di affidabilità. Le tradizionali soluzioni di alimentazione spesso faticano a soddisfare queste esigenze a livello di singoli componenti e di gestione complessiva dell'infrastruttura di un data center (DCIM). I componenti di potenza avanzati e le soluzioni di monitoraggio integrate offrono un approccio completo per affrontare queste sfide.

Ad esempio, la tecnologia dei condensatori ibridi garantisce una distribuzione dell'energia elettrica stabile, le soluzioni a bassissima resistenza equivalente in serie (ESR) offrono efficienza nella conversione di potenza ad alta corrente, i resistori ad alta precisione offrono il monitoraggio di precisione dell'alimentazione e l'integrazione wireless offre la gestione completa dell'alimentazione.

Questo articolo analizza il modo in cui questi elementi contribuiscono a creare sistemi di gestione dell'alimentazione robusti per i data center basati sull'intelligenza artificiale. Presenta quindi le soluzioni di Panasonic in tutte e quattro le aree e ne dimostra l'applicazione nei moderni ambienti dei data center.

Distribuzione efficiente dell'energia elettrica dei data center con la tecnologia dei condensatori ibridi

I moderni data center hanno alti requisiti di conversione di potenza ed è normale che abbiano bisogno dalla rete di centinaia di chilovolt in corrente alternata. Questa tensione viene prima ridotta a decine di kV c.a. per essere distribuita nel data center e quindi ulteriormente convertita in centinaia di V c.a. per la distribuzione ai rack delle apparecchiature.

A livello di rack, l'alimentazione c.a. viene convertita in corrente continua, solitamente 12 V c.c., per soddisfare i requisiti delle apparecchiature IT. Infine, all'interno di ogni apparecchiatura, la tensione viene ulteriormente regolata a livelli inferiori, spesso tra 1,1 e 5 V, per alimentare i singoli componenti, come i processori e i moduli di memoria.

Ogni fase di questa catena introduce perdite che possono avere un impatto significativo sull'efficienza complessiva del data center. I progettisti dell'alimentazione per data center stanno adottando sempre più spesso i semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) come il nitruro di gallio (GaN) per ridurre al minimo le perdite nelle fasi di conversione successive. Rispetto al silicio (Si) usato tradizionalmente, i dispositivi WBG hanno un'efficienza superiore grazie a frequenze di commutazione più elevate e perdite di conduzione inferiori.

Tuttavia, la tecnologia dei condensatori utilizzata in questi convertitori comporta sfide progettuali significative. I progettisti di sistemi di alimentazione hanno tradizionalmente a disposizione due tecnologie collaudate: i convenzionali condensatori elettrolitici in alluminio, caratterizzati da una bassa corrente di dispersione, e i condensatori polimerici, con caratteristiche ESR eccezionali. I condensatori elettrolitici in alluminio ibridi serie EEH di Panasonic (Figura 1) sono una terza opzione che combina i punti di forza di entrambi per ridurre al minimo le perdite dovute alla corrente di dispersione e alla ESR.

Figura 1: I condensatori elettrolitici in alluminio ibridi serie EEH riducono al minimo le perdite dovute alla corrente di dispersione e alla ESR. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

I condensatori ibridi presentano altri vantaggi, tra cui una maggiore affidabilità in caso di guasti di circuito aperto e il mantenimento della capacità nominale a frequenze molto più elevate rispetto ai modelli tradizionali. Mentre i condensatori convenzionali iniziano a perdere efficacia a frequenze nell'ordine delle decine di chilohertz, i condensatori ibridi mantengono le loro prestazioni a frequenze prossime a 1 MHz. Questa frequenza operativa più elevata consente di utilizzare condensatori più piccoli, permettendo ai progettisti di creare convertitori più compatti o di lasciare più spazio sulla scheda per altre funzioni.

Un tipico esempio di condensatore ibrido è il modello EEH-ZA1V151P. Questo dispositivo da 150 µF, 35 V, mantiene una bassa ESR di 27 mΩ, ha una temperatura di funzionamento compresa tra -55 °C e circa +105 °C e una durata di 10.000 ore (a +105 °C). La sua idoneità per le applicazioni dei data center è dimostrata dalla scheda di valutazione del convertitore c.c./c.c. EVLMG1-250WLLC di STMicroelectronics (Figura 2). Questa scheda GaN raggiunge densità di potenza pari a 1,2 W/cm³ con un'efficienza superiore al 92%.

Figura 2: La scheda di valutazione del convertitore c.c./c.c. GaN EVLMG1-250WLLC dimostra il potenziale del condensatore ibrido. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Vantaggi dei condensatori a bassa resistenza per la distribuzione dell'energia elettrica ad alta densità ed efficienza

La tendenza a utilizzare convertitori c.c./c.c. ad alta densità di potenza nei data center crea problemi di gestione termica particolari. L'aumento della densità di potenza e la riduzione dell'area dei componenti possono aumentare drasticamente le temperature di funzionamento.

La riduzione al minimo della ESR di un condensatore può risolvere in parte questi problemi termici. Poiché la perdita di potenza segue la relazione I²R, la riduzione della resistenza diminuisce direttamente la perdita di potenza e, di conseguenza, la generazione di calore. Per questo motivo una bassa ESR è fondamentale per mantenere temperature di funzionamento sicure in progetti compatti.

Tuttavia, anche i condensatori più efficienti possono subire temperature di funzionamento elevate a causa dell'ambiente circostante. Per questo, è essenziale scegliere un condensatore in grado di resistere al calore di un data center molto denso. La Figura 3 mostra una tabella di selezione che tiene conto, tra l'altro, della temperatura di funzionamento.

Figura 3: Una guida alla selezione dei condensatori ibridi in base alla corrente di ripple, alla capacità, alle dimensioni e alla temperatura di funzionamento. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

Se da un lato le alte frequenze di commutazione consentite dalla tecnologia GaN permettono di realizzare contenitori più piccoli, dall'altro la tecnologia dei condensatori deve mantenere una capacità adeguata per gestire correnti di ripple elevate. Con opzioni di capacità elettrica da 47 μF a 680 μF e la capacità di gestire fino a 2,3 A a 100 kHz, i condensatori ibridi serie EEH-ZL affrontano queste sfide. Garantiscono inoltre il funzionamento fino a +135 °C e una ESR di soli 14 mΩ.

Un esempio è il condensatore EEH-ZL1E681P da 680 μF, con una ESR di 14 mΩ e un contenitore di diametro pari a 10,0 mm.

Utilizzo di resistori ad alta precisione per il monitoraggio preciso della potenza

I convertitori c.c./c.c. nelle applicazioni dei data center richiedono una retroazione estremamente precisa per il controllo della potenza. Questo aspetto è particolarmente critico nei progetti basati su GaN, dove anche piccoli errori nella retroazione del ciclo di lavoro possono causare pericolose condizioni di sovratensione o sovracorrente.

Sebbene esistano diverse tecnologie di rilevamento della corrente, i resistori di shunt sono particolarmente interessanti per gli ambienti con vincoli di spazio dei server, delle infrastrutture di storage e degli alimentatori. Tuttavia, l'alta densità di potenza dei progetti moderni crea sfide significative per il rilevamento della corrente resistiva.

La sfida principale è data dalla stabilità termica. I valori di resistenza possono variare in modo significativo al variare delle temperature di funzionamento, compromettendo potenzialmente l'accuratezza della misurazione. Il coefficiente di resistenza termica (TCR) è quindi una specifica critica. Deve essere il più basso possibile per assicurare la precisione di misurazione negli ampi intervalli di temperatura tipici nelle operazioni dei data center.

I resistori serie ERA-8P di Panasonic (Figura 4) affrontano queste sfide grazie a diverse caratteristiche innovative:

• Un TCR bassissimo, pari a ±15 × 10^-6 per grado Kelvin, ottenuto grazie alla lavorazione di precisione del film sottile
• Uno strato di resina morbida che riduce le sollecitazioni sotto il resistore e che minimizza la formazione di cricche di saldatura durante il ciclaggio termico
• Una superficie liscia del substrato di allumina che garantisce uno spessore uniforme del film resistivo
• Una lunga e sottile resistenza a serpentina che disperde la concentrazione del carico di corrente, garantendo una resistenza alle scariche elettrostatiche (ESD) leader nel settore

Figura 4: I resistori serie ERA-8P sono progettati per garantire un'elevata stabilità termica. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

ERA-8PEB1004V dimostra queste capacità con specifiche adatte al monitoraggio dell'alimentazione dei data center:

• Elevata tensione dell'elemento limitante di 500 V a 1 MΩ per il monitoraggio dei rail di alimentazione ad alta tensione
• Una potenza nominale di 0,25 W che garantisce una perdita di potenza minima
• Un ampio intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a +155 °C
• Una resistenza superiore alle scariche elettrostatiche (ESD) per un funzionamento affidabile in ambienti ad alta potenza

Utilizzo del Wi-Fi per monitorare l'efficienza energetica

L'infrastruttura di un data center si trova ad affrontare una crescente complessità, in quanto i carichi di lavoro dovuti all'IA spingono l'implementazione di un maggior numero di server, sistemi di storage e unità di alimentazione. Sebbene il monitoraggio dell'alimentazione di questi sistemi sia fondamentale per ottimizzare l'efficienza, le tradizionali soluzioni cablate aggiungono costi, complessità e problemi di gestione dei cavi che si aggravano con l'espansione delle strutture.

Il monitoraggio wireless offre una soluzione elegante a queste sfide. Consente la gestione dell'alimentazione in tempo reale attraverso le misurazioni di tensione, corrente e temperatura senza l'onere di ulteriori cablaggi. Questo approccio offre una maggiore flessibilità per aumentare o ridurre le operazioni senza riconfigurare i collegamenti fisici.

Tuttavia, i moduli wireless per le applicazioni dei data center devono soddisfare diversi requisiti rigorosi:

• Mantenere una connettività affidabile in ambienti con numerosi ostacoli e potenziali fonti di interferenza
• Ridurre al minimo il consumo energetico per mantenere l'efficienza generale
• Adattarsi a fattori di forma compatti per integrarsi con le apparecchiature esistenti
• Fornire solide funzioni di sicurezza per proteggere le informazioni sensibili del data center

Il modulo Wi-Fi ENW-49A01A3EF PAN9320 di Panasonic (Figura 5) affronta queste sfide grazie a una serie completa di funzioni:

• Il funzionamento a 2,4 GHz offre una penetrazione superiore attraverso gli ostacoli dei data center, garantendo al contempo un'ampia compatibilità grazie al supporto degli standard 802.11b/g/n.
• L'efficienza energetica è mantenuta grazie a un consumo minimo di 430 mA per la trasmissione (Tx) e di 160 mA per la ricezione (Rx) in modalità 802.11b.
• Il design compatto di 29,0 × 13,5 × 2,66 mm a montaggio superficiale semplifica l'integrazione.
• Le funzioni di sicurezza incorporate, come TLS/SSL, HTTPS e WPA2, proteggono le informazioni sensibili.

Queste funzionalità consentono agli operatori dei data center di implementare il monitoraggio completo dell'alimentazione, riducendo al minimo i costi fisici e operativi tipicamente associati a tali sistemi.

Figura 5: ENW-49A01A3EF è una soluzione Wi-Fi completa a 2,4 GHz per un DCIM efficace. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

Conclusione

Le esigenze dei carichi di lavoro IA richiedono un ripensamento dell'infrastruttura di alimentazione, dalla scelta dei singoli componenti ai sistemi di monitoraggio dell'intera struttura. Il portafoglio di condensatori ibridi, la tecnologia ESR ultrabassa, i resistori di precisione e la connettività wireless di Panasonic forniscono agli operatori dei data center gli strumenti necessari per costruire e mantenere sistemi di alimentazione efficienti e scalabili per supportare le applicazioni IA di prossima generazione.