Migliorare l'efficienza della conversione di potenza per soddisfare le esigenze delle applicazioni AI

Sfide energetiche affrontate dai data center AI

L'elettricità è al centro della società moderna e delle operazioni economiche e, con la crescente domanda di veicoli elettrici e applicazioni di intelligenza artificiale, la sua importanza continuerà a crescere. La generazione di energia è attualmente la maggiore fonte di emissioni di anidride carbonica (CO2) nel mondo, ma può anche guidare la transizione verso emissioni nette zero attraverso la rapida espansione delle fonti di energia rinnovabile come l'energia solare e eolica. Garantire che i consumatori possano accedere all'elettricità in modo sicuro e conveniente, riducendo al contempo le emissioni globali di anidride carbonica, è una delle sfide principali della transizione energetica.

Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), i data center hanno consumato circa il 2% di tutta l'elettricità nel 2022, pari a circa 460 terawattora (TWh). Con l'aumento di applicazioni ad alto consumo energetico come criptovalute e intelligenza artificiale/apprendimento automatico (AI/ML), questo numero è destinato a crescere rapidamente. Questo aumento nel consumo di energia è basato sull'implementazione di unità di elaborazione grafica (GPU) ad alte prestazioni in queste tecnologie. L'IEA prevede che i data center consumeranno almeno 650 TWh entro il 2026, ma un consumo superiore a 1.000 TWh non è da escludere.

Il tasso di crescita nel campo dell'intelligenza artificiale è davvero sorprendente. ChatGPT ha raggiunto 1 milione di utenti nei primi cinque giorni e 100 milioni di utenti nei primi due mesi, superando significativamente i tassi di crescita di TikTok e Instagram. L'addestramento di GPT-4, con i suoi 1,7 trilioni di parametri e utilizzando 13 trilioni di token, richiede 25.000 GPU NVIDIA A100, con ciascun server che consuma circa 6,5 kW. Secondo OpenAI, questo addestramento ha richiesto 100 giorni, ha consumato 50 GWh di energia e ha avuto un costo di 100 milioni di dollari.

I primi data center convertivano la tensione della rete centralmente a 12V e la trasferivano ai server dove avvenivano le conversioni a livello logico (3,3/5V). Con l'aumento delle esigenze di potenza, questo metodo risultò in troppe perdite. La tensione del bus fu aumentata a 48V, riducendo la corrente di 4 volte e le perdite di 16 volte.

Quando le tensioni dei processori sono scese sotto i 3,3V fino a livelli sotto il volt, si sono resi necessari più binari di tensione a potenza relativamente elevata. Questo ha portato a un processo di conversione a due stadi in cui un convertitore DC-DC (noto come convertitore di bus intermedio (IBC)) converte 48V in un bus locale a 12V prima di effettuare conversioni a tensioni più basse.

Conversione di potenza efficiente necessaria per i data center AI

I requisiti di conversione della potenza dei data center AI sono particolarmente importanti a causa delle loro esigenze di elaborazione ad alte prestazioni e di gestione estensiva dei dati. I data center AI devono gestire grandi quantità di dati e compiti computazionali complessi, il che significa che richiedono sistemi di conversione della potenza ad alta efficienza e alta densità. Convertitori di potenza efficienti possono ridurre le perdite di energia, migliorando così le prestazioni e l'efficienza complessive del sistema.

Il funzionamento dei data center richiede alimentatori altamente stabili e affidabili. I convertitori di potenza devono fornire tensione e corrente stabili in varie condizioni di carico per garantire il normale funzionamento dei server e di altri apparecchi. Inoltre, sistemi di conversione dell'energia efficienti possono ridurre la generazione di calore, anche se una gestione termica efficace è ancora necessaria. Progetti termici ottimizzati aiutano a mantenere la temperatura del sistema entro un intervallo sicuro, prolungando così la durata dell'attrezzatura e migliorando le prestazioni.

Man mano che le applicazioni di AI si sviluppano rapidamente, le richieste sui data center continuano a crescere. I sistemi di conversione dell'energia devono avere una buona scalabilità per adattarsi in modo flessibile alle esigenze di espansione futura. Soprattutto data la notevole consumo energetico dei data center AI, la gestione dell'efficienza energetica è fondamentale per ridurre i costi operativi e l'impatto ambientale. I convertitori di potenza efficienti possono ridurre significativamente il consumo energetico e migliorare l'efficienza nell'utilizzo dell'energia.

Per garantire l'elevata disponibilità dei data center, i sistemi di conversione di potenza devono essere tipicamente progettati con ridondanza per gestire potenziali guasti di alimentazione. I progetti ridondanti possono fornire alimentazione di backup, commutando rapidamente quando la fonte di alimentazione primaria fallisce, garantendo un funzionamento continuo del sistema. Inoltre, con la crescente consapevolezza ambientale, più data center stanno iniziando a incorporare fonti di energia verde, come l'energia solare ed eolica. I sistemi di conversione di potenza efficienti possono integrare meglio queste energie rinnovabili, migliorando l'efficienza energetica complessiva e riducendo l'impronta di carbonio.

Durante il processo di conversione di potenza, le perdite di energia sono un fenomeno inevitabile. Queste perdite costituiscono energia sprecata, comportano costi e generano calore che richiede spazio e ulteriori spese per essere gestito. Quando si gestiscono data center AI su scala iper, che possono richiedere 120 kW di potenza per rack, l'efficienza nella conversione della potenza della rete alla tensione GPU è circa dell'88%, risultando in 15 kW di calore disperso che deve essere gestito tramite raffreddamento a liquido.

L'efficienza e la densità di potenza (che vanno di pari passo) sono i termini chiave nella progettazione dell'alimentazione dei server. L'energia dalla rete principale deve essere convertita in potenza utile con perdite minime. Per ottenere questo, le topologie sono in continua evoluzione, con lo sviluppo di tecnologie come la rettificazione sincrona, e i MOSFET che sostituiscono i diodi con perdite nei raddrizzatori.

Migliorare la topologia è solo metà della battaglia per il successo; per ottimizzare l'efficienza, tutti i componenti devono essere il più efficienti possibile, in particolare i MOSFET che sono fondamentali per il processo di conversione. I MOSFET non sono dispositivi senza perdite; subiscono perdite durante la conduzione e il commutamento. Poiché le alimentazioni dei server passano a operazioni a frequenze più elevate per ridurre le dimensioni, le perdite di commutazione diventano un elemento chiave per il miglioramento.

MOSFET PowerTrench® onsemi efficienti

I MOSFET al silicio controllano la corrente tra i terminali di sorgente e di drain attraverso la tensione del gate. Grazie alla loro efficienza, velocità e capacità di gestione della potenza, sono ampiamente utilizzati in amplificatori di potenza, regolatori di tensione e circuiti di commutazione. I MOSFET T10 PowerTrench® a bassa e media tensione di onsemi riducono le perdite di commutazione e di conduzione attraverso l'ultima tecnologia di trench a gate schermato, risultando in un Qg significativamente più basso e un R_DS(ON) inferiore a 1mΩ. Il miglior diodo di corpo a recupero morbido dell'industria riduce la risonanza, il sovraelongazione e il rumore, così come le perdite Qrr, bilanciando prestazioni e recupero in applicazioni ad alta velocità di commutazione. Rispetto ai dispositivi precedenti, questi nuovi MOSFET possono ridurre le perdite di commutazione fino al 50% e le perdite di conduzione di oltre il 30%.

I nuovi dispositivi T10 PowerTrench da 40 V e 80 V di onsemi offrono la migliore R_DS(ON) della categoria. I modelli NTMFWS1D5N08X (80V, 1.43mΩ, confezione SO8-FL 5mm x 6mm) e NTTFSSCH1D3N04XL (40V, 1.3mΩ, confezione dual-cool source-down 3.3mm x 3.3mm) presentano la migliore figura di merito (FOM) della categoria, rendendoli adatti per unità di alimentazione (PSU) e convertitori di bus intermedi (IBC) in applicazioni di data center AI. I MOSFET T10 PowerTrench rispettano le rigorose specifiche di efficienza Open Rack V3, che richiedono efficienze del 97,5% o superiori.

MOSFET a bassa/media tensione con prestazioni migliori

I MOSFET a bassa/media tensione introdotti da onsemi, specificamente il NTMFWS1D5N08X, sono MOSFET di potenza, singoli, a canale N con un gate STD, utilizzando il package SO8FL-HEFET. Supportano 80V, 1.43mΩ e 253A. Questo T10 80V MOSFET è tra i prodotti migliori della categoria nel mercato a 80V, rendendolo una soluzione ottimale per alimentazione cloud, telecomunicazioni 5G, altre applicazioni PSU, DC/DC e applicazioni industriali. Offre prestazioni migliori e migliora l'efficienza del sistema e l'alta densità di potenza, sebbene abbia caratteristiche di prestazione inferiori.

Il NTMFWS1D5N08X presenta miglioramenti in FOM, Rsp e densità di potenza, migliorando le prestazioni e riducendo i costi. Il suo Rsp inferiore, basso Qg/Qgd e Qgd/Qgs più basso possono aumentare l'efficienza complessiva minimizzando le perdite del driver. Il basso R_DS(ON) minimizza le perdite di conduzione, mentre il Qoss e Qrr più bassi migliorano le perdite di commutazione. Un diodo di recupero più morbido e Qrr inferiore riducono ring, overshoot e rumore, fornendo robustezza e un eccellente Unclamped Inductive Switch (UIS) per migliorare la resistenza alle valanghe nelle applicazioni a commutazione rapida. Questi dispositivi sono privi di Pb, privi di alogeni/BFR e conformi a RoHS.

Il NTMFWS1D5N08X è adatto per la rettificazione sincrona (SR) DC-DC e AC-DC e per interruttori primari in convertitori DC-DC isolati e azionamenti per motori. I prodotti finali comuni includono alimentazione per telecomunicazioni, alimentazione cloud, alimentazione server, data center, azionamenti per motori, energia solare e gruppi di continuità (UPS).

Un altro MOSFET a bassa/media tensione di onsemi è il NTTFS2D1N04HL, un MOSFET a canale N a porta schermata PowerTrench® che supporta 40V, 150A e 2.1mΩ. Questo MOSFET a canale N a media tensione è prodotto utilizzando la tecnologia avanzata PowerTrench® e incorpora la tecnologia della porta schermata. Questo processo è ottimizzato per minimizzare la resistenza in stato di conduzione mantenendo eccellenti prestazioni di commutazione.

L'NTTFS2D1N04HL, utilizzando la tecnologia MOSFET a gate schermato, ha un R_DS(on) massimo di 2.1mΩ a VGS = 10V e ID = 23A, e di 3.3mΩ a VGS = 4.5V e ID = 18A, riducendo il rumore di commutazione e le EMI. Presenta un design del package robusto che soddisfa MSL1, è testato al 100% UIL e conforme alla RoHS. L'NTTFS2D1N04HL è versatile, adatto a molte applicazioni diverse, con prodotti finali comuni tra cui alimentatori DC-DC e convertitori sincroni buck a media tensione.

Conclusione

Nell'era in rapida evoluzione dell'intelligenza artificiale, migliorare l'efficienza della conversione di potenza è cruciale. La tecnologia di conversione di potenza ad alta efficienza può non solo soddisfare le esigenze delle applicazioni AI per il calcolo ad alte prestazioni e l'elaborazione intensiva dei dati, ma anche ridurre significativamente il consumo energetico e i costi operativi, raggiungendo così obiettivi più sostenibili e rispettosi dell'ambiente. Innovando continuamente e adottando soluzioni avanzate di gestione della potenza, possiamo trovare un equilibrio tra prestazioni ed efficienza, garantendo lo sviluppo sostenuto e il massimo beneficio della tecnologia AI in vari settori. Pertanto, investire nel miglioramento dell'efficienza della conversione di potenza non è solo un requisito di avanzamento tecnologico, ma anche una parte vitale per guidare la rivoluzione AI.

La serie di prodotti MOSFET PowerTrench® a bassa e media tensione lanciata da onsemi, con le sue eccellenti prestazioni, può essere applicata ai data center per applicazioni AI, fornendo un'eccezionale efficienza di conversione di potenza e rendendola una delle scelte ideali per le applicazioni correlate.