Componente moderne care alimentează sistemele HPC din centrele de date pe fondul unei explozii AI

Dezvoltarea centrelor de date este în plină ascensiune pe fondul expansiunii serviciilor cloud și a cererii bruște de aplicații de inteligență artificială (AI) care depind de modele lingvistice de mari dimensiuni (LLM) ce necesită o scalabilitate mai mare și resurse de calcul considerabile. Pentru acest lucru, avem nevoie de o nouă generație de sisteme de calcul de înaltă performanță (HPC) care să utilizeze componente specializate ce pot răspunde unor nevoi mai mari de gestionare a energiei și a temperaturii.

Aceste nevoi ale centrelor de date stimulează cererea de componente pasive îmbunătățite, cum ar fi condensatoarele de putere, rezistoarele și inductoarele pe care proiectanții de produse le pot utiliza în dezvoltarea unor dispozitive HPC mai avansate, capabile să satisfacă nevoile de procesare AI. Printre aceste cerințe se numără o mai mare eficiență, performanță, fiabilitate și gestionare termică în dispozitive mai mici care permit centrelor de date să optimizeze spațiul și să crească densitatea sistemelor lor.

Inductoare mai bune pentru eficiența HPC

KEMET, o filială a YAGEO Group, a dezvoltat inductoare compozite metalice pentru a îmbunătăți performanța convertoarelor c.c./c.c. și a surselor de alimentare în comutație. Profitând de istoria sa de furnizor de componente magnetice personalizate pentru producătorii de echipamente originale (OEM), compania a dezvoltat o linie standardizată de inductoare de putere METCOM MPX care se remarcă prin toleranță mai mare la fenomenele tranzitorii de curent și temperaturile de operare mai ridicate, oferind, în același timp, un design compact și performanțe ridicate.

Inductoarele de putere compozite metalice METCOM prezintă o densitate mare de saturare a fluxului magnetic în miez, ceea ce permite un câmp magnetic mai puternic decât inductoarele tradiționale din ferită. Acestea oferă o inductanță stabilă în funcție de temperatură și curent.

Miezul este format din pulbere metalică, cu un strat izolator și un agent de legare. Intervalul de inductanță disponibil pentru seria MPX este cuprins între 0,1 și 100 µH.

Utilizând fir de cupru rotund înconjurat de o pulbere compozită de metal magnetic sinterizat (Figura 1), capabilă să mențină o inductanță stabilă în funcție de temperatură și curent, construcția inductorului îl face potrivit pentru multe regulatoare c.c. - c.c., cum ar fi sursele de alimentare în comutație pentru serverele centrelor de date, ca inductoare de putere, inductoare de filtru EMI și regulatoare de punct de sarcină.

Figura 1: Inductoarele de putere METCOM MPX utilizează un fir de cupru rotund înconjurat de o pulbere compozită de metal magnetic sinterizat. (Sursa imaginii: KEMET)

Pulberea metalică face posibilă producerea de inductoare cu o densitate de energie mai mare și o rezistență mai mare la căldură, permițând amprente mai mici decât inductoarele cu miez de ferită, împreună cu avantajele suplimentare ale pierderilor mai mici ale miezului la frecvențe mai mari și o suprimare superioară a interferențelor electromagnetice (EMI). Toate acestea se combină pentru a oferi o durabilitate și o fiabilitate sporite, esențiale pentru operațiunile centrelor de date.

Cu peste 200 de variante în seria MPX (Figura 2), Kemet oferă o gamă largă de opțiuni. Dimensiunile disponibile includ 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm și 22 x 22 mm.

Figura 2: Factorul de formă METCOM MPX. (Sursa imaginii: KEMET)

De exemplu, MPX1D0630L3R3 este o componentă de 6 x 6 mm, cu o înălțime de 3,0 mm, care permite utilizarea eficientă a spațiului pe o placă de circuite imprimate densă, fără a sacrifica performanța. Cu o temperatură de funcționare nominală de până la +155 °C, o inductanță de 3,30 µH ±20% și o rezistență maximă la curent continuu de 30,3 mΩ, această componentă este potrivită pentru mediile HPC în care menținerea integrității energetice, a managementului termic și a eficienței este critică.

Pentru cerințe mai puțin riguroase sau o mai mare versatilitate în ceea ce privește valorile inductanței, componenta MPX1D0530L220 este disponibilă într-o amprentă de 5 x 5 mm, cu o înălțime de 3,0 mm și o inductanță de 22,00 µH. Cu o rezistență maximă mai mare la curent continuu de 341,2 mΩ, această componentă ar fi potrivită în cazurile în care managementul termic este mai puțin problematic sau există o răcire suplimentară încorporată în sistem.

Opțiuni de inductoare de putere cu perle de ferită pentru HPC

În cazul sistemelor HPC în care este necesară suprimarea generală a perturbațiilor electromagnetice fără cerințe stricte de performanță, o altă companie YAGEO, Pulse Electronics, oferă inductoare de putere cu perle de ferită optimizate pentru gestionarea curentului ridicat. Acestea sunt concepute special pentru a fi utilizate cu topologia regulatorului de tensiune cu inductor transformator (TLVR).

Inductoarele de putere cu miez de perle de ferită sunt o alternativă la inductoarele cu toroid înfășurat care alimentează de obicei regulatoarele de tensiune de bază (VCORE) desktop. Fabricate cu tehnologia de montare prin orificii de trecere (THT), inductoarele de putere cu perle de ferită oferă o eficiență mai mare și toleranțe mai stricte, permițând o dimensiune mai mică în regulatoarele VCORE.

În loc să echilibreze curenții de ondulație ai inductoarelor cu o singură înfășurare într-o topologie de coborâre multifazică, inductoarele de putere cu perle de ferită permit inductanțe mai mici, precum și un compromis de proiectare între rapiditatea cu care convertorul răspunde la o modificare a curentului de sarcină (răspuns tranzitoriu) și stabilitatea buclei de control.

Componentele de la Pulse Electronics sunt utilizate în mod obișnuit în regulatoarele de tensiune multifazice de curent ridicat care alimentează procesoarele, modulele de memorie și ASICS și FPGA de curent ridicat pentru servere, plăci grafice, sisteme de stocare și centre de date. Aceste inductoare TLVR cu înfășurare dublă sunt disponibile în amprente cuprinse între 4 x 4 mm și 13 x 13 mm, cu intervale de inductanță de la 20 nH la 1 µH.

Piesele cu factor de formă din seria PAL6373.XXXHLT (Figura 3), cum ar fi PGL6380.101HLT, au o amprentă de 12 x 6 mm, cu inductanțe cuprinse între 100 nH și 200 nH, cu valori nominale ale curentului de saturație de la 59 A la 125 A de vârf și un interval de temperatură de funcționare de la -40 °C la +125 °C. Construite cu un miez de ferită asamblat peste o înfășurare 1T sau 2T, acestea prezintă o rezistență extrem de scăzută la curent continuu (DCR), curent de vârf ridicat și pierderi reduse ale puterii c.a. Acestea sunt disponibile în versiuni monofazate, cu faze integrate și cu inductor cuplat.

Figura 3: Factorul de formă al inductorului de putere din seria PAL6373.XXXHLT de la Pulse Electronics. (Sursa imaginii: Pulse Electronics)

Pentru sistemele HPC, alegerea între inductoarele de putere de tip perlă de ferită și cele de tip compozit metalic depinde de cerințele specifice ale sistemului, cum ar fi necesitatea unei stabilități ridicate a inductanței, rezistența la temperatură și reducerea zgomotului. Inductoarele KEMET oferă performanțe stabile pe un interval extins de temperatură, până la +180 °C, iar structura lor metalică turnată ajută la reducerea zgomotului acustic, ceea ce poate constitui un avantaj în sistemele HPC sensibile la zgomot.

Condensatoare stabile, cu durată de viață lungă

Condensatoarele electrolitice solide din aluminiu cu polimeri conductivi de la KEMET sunt, de asemenea, foarte potrivite pentru cerințele exigente ale sistemelor HPC, unde performanța, eficiența și fiabilitatea sunt esențiale.

Spre deosebire de condensatoarele electrolitice tradiționale „umede” din aluminiu care utilizează electroliți lichizi conductori, polimerii solizi din condensatoarele KEMET au o rezistență echivalentă în serie (ESR) scăzută, stabilă la toate temperaturile, frecvențele și durata de viață operațională.

Capabile de curenți de ondulație mai mari și de o durată de viață mai lungă decât condensatoarele umede, în care electrolitul se poate usca și poate duce la defecțiuni, dispozitivele cu polimeri solizi sunt mai rezistente la vibrații și sunt proiectate pentru o stabilitate mai mare. Acestea mențin capacitatea în mod eficient la frecvențe înalte, ceea ce le face o opțiune atractivă pentru sursele de alimentare cu comutație rapidă.

Condensatoarele KEMET funcționează eficient în condițiile unor cerințe de curent ridicat, tipice sistemelor HPC, fără pierderi semnificative de putere, și se adaptează la tensiuni mai mari în comparație cu electroliticele standard datorită combinației dintre polimerul conductiv și electrolit. Proprietățile electrice îmbunătățite și robustețea condensatoarelor electrolitice solide din aluminiu cu polimeri pot spori semnificativ eficiența și fiabilitatea generală a sistemelor HPC în comparație cu alternativele.

Proiectată pentru a oferi o durată de viață mai lungă și o stabilitate mai mare într-un interval larg de temperaturi, seria A768 de condensatoare cu montare pe suprafață de la KEMET (Figura 4) este disponibilă cu valori cuprinse între 18 µF și 1.200 µF și cu tensiuni cuprinse între 4 V_c.c. și 80 V_c.c.. De exemplu, A768MS108M1CLAE015 este o versiune de 16 V, 1000 µF, cu o valoare ESR de 15 mOhm și un interval de temperatură de funcționare de -55 °C ~ +125 °C. Are o dimensiune a plăcii de fixare de 0,406" L x 0,406" l (10,30 mm x 10,30 mm).

Figura 4: Un condensator pe bază de aluminiu cu polimeri din seria A768 de la KEMET, cu montare pe suprafață. (Sursa imaginii: KEMET)

Aceste condensatoare sunt proiectate pentru a menține performanța în condiții termice dificile și sunt disponibile versiuni care rezistă la vibrații de până la 30 g pentru mediile HPC în care stresul mecanic sau mișcarea ar putea cauza instabilitate.

Rezistoare cu cip și peliculă subțire

O altă componentă importantă pentru proiectele HPC sunt rezistoarele cu cip care completează invertoarele de putere și condensatoarele pentru a proteja împotriva fluxului excesiv de curent și pentru a asigura stabilitatea și eficiența generală a sistemului. În 2023, YAGEO Group a introdus seria NT de rezistoare cu cip și peliculă subțire din nitrură de tantal, proiectate pentru a menține o performanţă extrem de consecventă în mediile solicitante.

Designul de auto-pasivizare al seriei NT formează un strat de impermeabilizare ce protejează stratul rezistiv pentru a preveni pătrunderea umezelii. Dispozitivele sunt disponibile în dimensiuni ale carcasei de la 0402 la 1206, cu un interval de rezistență de la 100 Ω la 481 kΩ.

Cu un interval larg al temperaturii de funcționare de la -55 °C la +155 °C, rezistoarele NT contribuie la o distribuție stabilă a puterii și la un transfer eficient al energiei. Acestea oferă un coeficient de rezistență la temperatură scăzută (TCR) de ±25, ±50 ppm/°C, cu puteri nominale de la 1/20 W la 2/5 W.

Concluzie

Cerințele de cloud computing și de inteligență artificială determină nevoia de componente electronice cu atribute specifice care să asigure o fiabilitate ridicată în condiții dificile. Proiectanții pot satisface cerințele în continuă evoluție ale sistemelor HPC cu ajutorul inductoarelor, rezistoarelor și condensatoarelor de putere specializate, cum ar fi cele furnizate de YAGEO Group și de companiile sale din portofoliul KEMET și Pulse Electronics.