Componenti moderni che alimentano i sistemi HPC dei data center nel contesto della crescita esponenziale dell'IA

I data center stanno crescendo vertiginosamente a causa dell'espansione dei servizi cloud e dell'improvvisa domanda di applicazioni di intelligenza artificiale (IA) che dipendono da modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) e che richiedono una maggiore scalabilità e vaste risorse di calcolo. Tutto questo richiede una nuova generazione di sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC) che utilizzano componenti specializzati in grado di soddisfare esigenze di potenza e gestione termica più elevate.

Queste esigenze dei data center spingono la domanda di componenti passivi avanzati, come condensatori di potenza, resistori e induttori, che i progettisti possono utilizzare nello sviluppo di dispositivi HPC più avanzati per soddisfare i requisiti di elaborazione IA. Questi requisiti includono maggiore efficienza, prestazioni, affidabilità e gestione termica in dispositivi più piccoli che consentono ai data center di ottimizzare lo spazio e aumentare la densità dei sistemi.

Induttori migliori per l'efficienza dell'HPC

KEMET, una consociata di YAGEO Group, ha sviluppato induttori metallici compositi per migliorare le prestazioni dei convertitori c.c./c.c. e degli alimentatori a commutazione. Forte dell'esperienza come fornitore di componenti magnetici personalizzati per gli OEM, ha sviluppato la linea standardizzata di induttori di potenza METCOM MPX con una maggiore tolleranza ai transitori di corrente e temperature di funzionamento più elevate, in un design compatto a prestazioni elevate.

Gli induttori di potenza METCOM in metallo composito sono caratterizzati da un'elevata densità di flusso di saturazione del nucleo, che consente di ottenere un campo magnetico più forte rispetto ai tradizionali induttori in ferrite. Forniscono un'induttanza stabile in funzione della temperatura e della corrente.

Il nucleo è in polvere di metallo con un rivestimento isolante e un agente legante. L'intervallo di induttanza disponibile per la serie MPX va da 0,1 a 100 µH.

Utilizzando un filo di rame tondo circondato da una polvere di metallo composito magnetico sinterizzato (Figura 1) in grado di garantire un'induttanza stabile in funzione della temperatura e della corrente, la struttura dell'induttore è tale da renderlo adatto a molti regolatori c.c./c.c., come gli alimentatori a commutazione per i server dei data center, induttori di potenza, induttori di filtraggio EMI e regolatori del punto di carico.

Figura 1: Gli induttori di potenza METCOM MPX utilizzano un filo di rame tondo circondato da una polvere di metallo composito magnetico sinterizzato. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

La polvere metallica consente di produrre induttori con una maggiore densità energetica e una maggiore resistenza termica, riducendo l'ingombro rispetto agli induttori con nucleo in ferrite, oltre ai vantaggi aggiuntivi di una minore perdita del nucleo alle alte frequenze e di una migliore soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Tutto questo si combina per garantire una maggiore durata e affidabilità, essenziali per le operazioni dei data center.

Con oltre 200 opzioni nella serie MPX (Figura 2), KEMET offre un'ampia gamma di scelte. Le dimensioni disponibili sono 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm e 22 x 22 mm.

Figura 2: Fattore di forma METCOM MPX. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

MPX1D0630L3R3, ad esempio, è un componente di 6 x 6 mm con un'altezza di 3,0 mm che consente di utilizzare in modo efficiente lo spazio su una PCB ad alta densità senza sacrificare le prestazioni. Con una temperatura di funzionamento nominale fino a +155 °C, un'induttanza di 3,30 µH ±20% e una resistenza c.c. massima di 30,3 mΩ, è adatto agli ambienti HPC in cui è fondamentale mantenere l'integrità dell'alimentazione, la gestione termica e l'efficienza.

Per requisiti meno rigorosi o una maggiore versatilità in fatto di induttanza, MPX1D0530L220 ha un ingombro di 5 x 5 mm e un'altezza di 3,0 mm, con un'induttanza di 22,00 µH. Con una resistenza massima c.c. più elevata, pari a 341,2 mΩ, sarebbe adatto laddove la gestione termica è un problema minore o il sistema è dotato di un metodo di raffreddamento aggiuntivo.

Opzioni di induttori bead di potenza per HPC

Nei sistemi HPC in cui è richiesta una soppressione generale delle EMI senza requisiti di prestazioni rigorosi, un'altra azienda di YAGEO Group, Pulse Electronics, offre induttori bead di potenza ottimizzati per la gestione di correnti elevate. Sono progettati specificamente per l'uso con la topologia del regolatore di tensione a trans-induttore (TLVR).

Gli induttori di potenza con nucleo in ferrite sono un'alternativa agli induttori a toroide avvolto che in genere alimentano i regolatori di tensione a nucleo fisso (VCORE). Realizzati con tecnologia a foro passante (THT), gli induttori bead di potenza offrono una maggiore efficienza e tolleranze più strette, consentendo di ridurre le dimensioni dei regolatori VCORE.

Anziché sfalsare le correnti di ripple degli induttori ad avvolgimento singolo in una topologia buck multifase, gli induttori bead di potenza offrono induttanze più piccole e offrono un compromesso progettuale tra la rapidità di risposta del convertitore a una variazione della corrente di carico (risposta transitoria) e la stabilità dell'anello di controllo.

I componenti di Pulse Electronics sono tipicamente utilizzati nei regolatori di tensione multifase ad alta corrente che alimentano processori, moduli di memoria, ASICS e FPGA ad alta corrente per server, schede grafiche, storage e data center. Questi induttori TLVR a doppio avvolgimento sono disponibili con ingombri da 4 x 4 mm a 13 x 13 mm e induttanze da 20 nH a 1 µH.

I componenti serie PAL6373.XXXHLT (Figura 3), come PGL6380.101HLT, hanno un ingombro di 12 x 6 mm con induttanze comprese tra 100 nH e 200 nH, correnti nominali di saturazione da 59 A a 125 A di picco e una temperatura di funzionamento compresa tra -40 °C e +125 °C. Costruiti con un nucleo in ferrite assemblato su un avvolgimento 1T o 2T, presentano una resistenza c.c. (DCR) estremamente bassa, un'elevata corrente di picco e basse perdite in c.a. Sono disponibili nelle versioni monofase, a fasi integrate e con induttore accoppiato.

Figura 3: Fattore di forma dell'induttori bead di potenza serie PAL6373.XXXHLT di Pulse Electronics. (Immagine per gentile concessione di Pulse Electronics)

Per i sistemi HPC, la scelta tra induttori bead di potenza e tipi in metallo composito dipende dai requisiti specifici del sistema, come la necessità di un'elevata stabilità dell'induttanza, la resistenza alla temperatura e la riduzione del rumore. Gli induttori di KEMET offrono prestazioni stabili in un intervallo di temperatura esteso, fino a +180 °C, e la loro struttura metallica stampata contribuisce a ridurre il rumore acustico, il che può essere vantaggioso nei sistemi HPC sensibili al rumore.

Condensatori stabili e di lunga durata

I condensatori elettrolitici solidi in alluminio a polimeri conduttivi di KEMET sono adatti anche alle esigenze dei sistemi HPC, dove prestazioni, efficienza e affidabilità sono fondamentali.

A differenza dei tradizionali condensatori elettrolitici in alluminio "umidi" che utilizzano elettroliti liquidi conduttivi, i polimeri solidi dei condensatori di KEMET sono caratterizzati da una bassa resistenza equivalente in serie (ESR), stabile a tutte le temperature, frequenze e per tutta la vita utile.

Capaci di correnti di ripple più elevate e di una durata maggiore rispetto ai condensatori umidi, in cui l'elettrolita può asciugarsi e guastarsi, i dispositivi a polimeri solidi sono più resistenti alle vibrazioni e progettati per una maggiore stabilità. Mantengono efficacemente la capacità alle alte frequenze, il che li rende un'opzione interessante per gli alimentatori a commutazione rapida.

I condensatori di KEMET funzionano efficacemente senza significative perdite di potenza in presenza di elevate richieste di corrente, tipiche dei sistemi HPC, e sono in grado di sopportare tensioni più elevate rispetto a quelli elettrolitici standard grazie alla combinazione di polimero conduttivo ed elettrolita. Le migliori proprietà elettriche e la robustezza dei condensatori elettrolitici solidi in alluminio polimerico possono migliorare significativamente l'efficienza complessiva e l'affidabilità dei sistemi HPC rispetto alle alternative.

Progettati per una maggiore durata e stabilità in un ampio intervallo di temperature, i condensatori a montaggio superficiale serie A768 di KEMET (Figura 4) sono disponibili da 18 µF a 1.200 µF e con tensioni da 4 V_c.c. a 80 V_c.c.. Ad esempio, il modello A768MS108M1CLAE015 è una versione da 16 V, 1000 µF con una ESR di 15 mΩ e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -55 °C e +125 °C. Ha una piazzola di 10,30 x 10,30 mm.

Figura 4: Condensatore in alluminio polimerico solido a montaggio superficiale serie A768 di KEMET. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

Questi condensatori sono destinati a mantenere le prestazioni in condizioni termiche difficili e sono disponibili in versioni capaci di resistere alle vibrazioni fino a 30 g per gli ambienti HPC in cui le sollecitazioni meccaniche o i movimenti potrebbero causare instabilità.

Resistori in chip a film sottile

Un altro componente importante per i progetti HPC sono i resistori in chip che integrano gli inverter e i condensatori di potenza per la protezione dal flusso eccessivo di corrente e per la stabilità e l'efficienza complessiva del sistema. Nel 2023, YAGEO Group ha introdotto la serie NT di resistori in chip a film sottile al nitruro di tantalio, progettati per mantenere prestazioni elevate e costanti in ambienti difficili.

Il design autopassivante della serie NT forma uno strato impermeabile che protegge lo strato resistivo per impedire la penetrazione dell'umidità. I dispositivi sono disponibili in involucri di dimensioni da 0402 a 1206, con un intervallo della resistenza da 100 Ω a 481 kΩ.

Con un ampio intervallo della temperatura di funzionamento, da -55 °C a +155 °C, i resistori NT contribuiscono alla distribuzione stabile dell'energia elettrica e al trasferimento efficiente dell'energia. Forniscono un coefficiente termico della resistenza (TCR) di ±25, ±50 ppm/°C, con potenze nominali da 1/20 W a 2/5 W.

Conclusione

Le esigenze imposte dal cloud computing e dall'IA stanno determinando la necessità di componenti elettronici con caratteristiche specifiche per garantire un'elevata affidabilità in condizioni difficili. I progettisti possono soddisfare i requisiti in evoluzione dei sistemi HPC con induttori, resistori e condensatori di potenza specializzati, come quelli forniti da YAGEO Group e dalle sue società di portafoglio KEMET e Pulse Electronics.