تحديات توصيل الطاقة للمعالجات الحديثة في مراكز البيانات فائقة الحجم

[ad_1]

هذه المقالة، بناءً على العرض التقديمي الذي تم تقديمه في PCIM Europe 2024،¹ يعالج متطلبات الطاقة المتزايدة للمعالجات المتطورة المستخدمة في مراكز البيانات واسعة النطاق، خاصة لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة. تطرح متطلبات الطاقة المتزايدة باستمرار تحديات كبيرة في جميع أنحاء سلسلة تحويل الطاقة بأكملها، بدءًا من مصدر طاقة التيار المتردد/المستمر وحتى مراحل طاقة نقطة التحميل (POL) الموجودة بجوار المعالج مباشرة.

صعود الذكاء الاصطناعي التوليدي ومتطلبات قوته

أدى ظهور الذكاء الاصطناعي التوليدي، القادر على إنشاء البيانات بناءً على نماذج تم تكوينها مسبقًا، إلى زيادة كبيرة في عمليات تثبيت الخوادم. تتطلب التطبيقات الجديدة مثل ChatGPT وCopilot من Microsoft ونماذج اللغات الكبيرة ذات الأعداد الهائلة من المعلمات معالجات قوية بشكل متزايد لتدريب هذه النماذج بفعالية.

هذا التحول من معالجة البيانات التسلسلية التقليدية، كما رأينا في بنية فون نيومان الكلاسيكية مع معالجات x86، يستلزم تغييرًا نموذجيًا. يعتمد تدريب الذكاء الاصطناعي الحديث بشكل كبير على الحوسبة المتوازية بشكل كبير، وذلك باستخدام بنيات مثل وحدات المعالجة الرسومية (GPUs) ووحدات المعالجة الموترية (TPUs). تتميز هذه المعالجات بمئات النوى والذاكرة ذات النطاق الترددي العالي، إما مدمجة بشكل متجانس أو مرتبة بشكل جانبي كقوالب مكدسة داخل نفس الحزمة باستخدام تقنية تعرف باسم الرقاقة على الرقاقة على الركيزة (CoWoS).

علاوة على ذلك، فإن التقدم في تكنولوجيا الشرائح وأساليب ربط القوالب المحدودة شبكانيًا بـ “الرقائق الفائقة” الأكبر حجمًا يؤدي إلى نمو هائل في القدرات الحسابية لهذه الأنظمة. نظرًا لأن خطوط الطاقة أصبحت عنق الزجاجة لمزيد من التوسع في الترانزستورات المنطقية، فإن المستقبل يكمن في تغذية الطاقة من خلال خطوط طاقة مدفونة موضوعة في الجزء الخلفي من المعالج، وتتصل بالجانب الأمامي عبر منافذ نانو عبر السيليكون.

وكانت نتيجة هذه التطورات زيادة كبيرة في متطلبات طاقة المعالج، سواء من حيث تيارات الحمل والاستجابة العابرة. يتجاوز استهلاك الطاقة الآن 1 كيلووات لكل معالج عند جهد إمداد يبلغ حوالي 0.7 فولت، وهو ما يترجم إلى تيارات تحميل تتجاوز 1500 أمبير.

إعادة النظر في توصيل الطاقة: من الجانبي إلى الرأسي

إن توصيل الطاقة الجانبي التقليدي المعتمد على مراحل طاقة منفصلة وملفات حث منفصلة يكافح من أجل التعامل مع المتطلبات الحالية الباهظة للمعالجات الحديثة. تتزايد خسائر توزيع الطاقة المرتبطة بهذا النهج مع مربع تيار الحمل، مما يؤدي إلى تفاقم الوضع مع كل جيل جديد من المعالجات المتعطشة للطاقة بشكل متزايد. ونتيجة لذلك، يحتاج توصيل الطاقة إلى إعادة تصميم رأسي، كما هو موضح في الشكل 1.

نظرًا لقيود المساحة، يعد التكامل ثلاثي الأبعاد غير المتجانس لمرحلة الطاقة ومحرك البوابة والمحث في وحدة DC مدمجة أمرًا ضروريًا. في حين أن الحلول التقليدية غالبًا ما تقوم بتبريد مرحلة الطاقة مباشرة من خلال المحث، فإن هذا يتطلب توجيه جميع إشارات إدخال اللوحة الأم عبر الوحدة، مما يجعل الإعداد ثلاثي الأبعاد معقدًا.

لقد اتبعت شركة Infineon Technologies نهجًا متميزًا، حيث اختارت تبريد مرحلة الطاقة عبر المحث. بالإضافة إلى ذلك، فهو يستخدم مادة مغناطيسية جديدة ذات فقد منخفض في النواة وسلوك التشبع الناعم، مما يؤدي إلى كفاءة أفضل بنسبة تصل إلى 2% مقارنة بالحلول المنافسة.

يوضح الشكل 2 وحدات Infineon TDM22544D وTDM22545D ثنائية الطور، الموجودة في وحدة مدمجة مقاس 9 × 10 مم² البصمة وتقديم ما يصل إلى 160-A الذروة الحالية. تتوفر هذه الوحدات بارتفاعين، 5 مم و8 مم، لتلبية مختلف قيود المساحة.

دور محول الحافلة المتوسطة

يعمل محول الناقل الوسيط (IBC) كوسيط بين 48 فولت المتوفرة في اللوحة الإلكترونية للحامل ومستوى الجهد الذي يغذي مراحل POL. يمكن أن تختلف جهود الإدخال بين 40 و60 فولت أو قد يتم تنظيمها بإحكام إلى 50 فولت، كما هو محدد في الإصدار الحالي من Open Compute Spec v3.0.

يتطلب مستوى الجهد الأمثل لمخرج IBC دراسة متأنية لموازنة خسائر توزيع الطاقة بين مرحلتي IBC وPOL، مما يغذي المعالج ضد خسائر التبديل داخل مراحل POL. يسمح جهد الناقل المتوسط ​​المنخفض لوحدات POL بالعمل عند تردد تحويل أعلى (1 ميجاهرتز أو أعلى) واستخدام دوائر MOSFET منخفضة الطاقة، مثل نماذج 15 فولت.

يشير تحليل حديث تم تقديمه في APEC 2024 بواسطة Intel وGoogle إلى أن المقسم 6:1 بمستوى جهد ناقل متوسط ​​يبلغ 8 فولت هو الأكثر كفاءة لشبكات توزيع الطاقة ذات المقاومة التي تتراوح بين 3 و6 مللي أوم. يمكن لبطاقات التسريع مثل وحدات معالجة الرسومات أو وحدات TPU، حيث تكون مقاومة توزيع الطاقة عادةً أقل من 1 متر أوم، استخدام مقسم 8:1 لتوليد جهد ناقل متوسط ​​بين 5 و7.5 فولت لإدخال 40 إلى 60 فولت.

في هذه المرحلة، يعتبر المقسم السعوي النقي بنسبة 8:1 مكلفًا للغاية ويستهلك مساحة كبيرة، في حين توفر مراحل الطاقة ذات المسؤولية المحدودة القائمة على المحولات خيارًا. يعد محول المكثفات الهجين، الذي يجمع بين نقل الطاقة بالسعة والمحولات، هو الحل الذي تقترحه شركة Infineon.

إعادة النظر في الطاقة الاحتياطية: من UPS إلى تكامل البطارية 48 فولت

لقد تخلى كبار مقدمي الخدمات السحابية بشكل متزايد عن مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPSes) المرتبطة تقليديًا بالتسلسل مع توزيع الطاقة الرئيسي. إن أنظمة UPS هذه، مع تحويلاتها المزدوجة للتيار المتردد/التيار المستمر والتيار المستمر/التيار المتردد، تتكبد خسائر في الكفاءة تتراوح من 4% إلى 6% ضمن تدفق الطاقة الإجمالي لمركز البيانات، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف النفقات التشغيلية بشكل كبير.

تعمل حلول الطاقة الاحتياطية الحديثة بالتوازي عند مستوى 48 فولت من التيار المستمر، وذلك باستخدام بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) الموجودة داخل نفس الحامل أو حامل قريب مخصص لصواني الحوسبة. توضح مواصفات الحوسبة المفتوحة أن جهد الخرج لوحدة البطارية الاحتياطية يتم تنظيمه إلى 48 فولت. يوجد محول DC/DC ثنائي الاتجاه بين خلايا Li-ion وقضبان 48-V المتصلة بـ IBC.

بدلاً من معالجة طاقة مجموعة البطارية بالكامل، يمكن اختيار نطاق جهد بطارية خلايا Li-ion للتركيز على 48 فولت من خلال التوصيلات المتسلسلة والمتوازية. للحصول على خرج 48 فولت منظم تمامًا، تتطلب هذه الطريقة معالجة جزء صغير فقط من الطاقة.

وصل أحد الأنظمة من شركة Infineon Technologies إلى ذروة كفاءة بنسبة 99.6% عند النقطة الوسطى لنطاق جهد البطارية، كما هو موضح في الشكل 3. يستخدم هذا النظام، الموضح في الشكل 4، محول تردد الرنين LLC ومحول الجهد للتنظيم. لتوفير 48 فولت، تقوم الدائرة بضبط قطبية جهد كومة بطارية الليثيوم أيون، والتي قد تكون موجبة أو سالبة.

مصادر طاقة AC/DC عالية الكثافة وعالية الكفاءة

مع استمرار ارتفاع مستويات طاقة حامل الحوسبة، يجب تعديل عدد رفوف الطاقة أو تصنيف مصادر طاقة الخادم وفقًا لذلك. بالنسبة لنماذج التدريب على الذكاء الاصطناعي، من المرجح أن يتم استبدال وحدات إمداد الطاقة AC/DC بقدرة 3 كيلووات (PSUs) بوحدات PSU بقدرة 5.5 كيلووات قريبًا. قد تدفع التطورات المستقبلية مستويات الطاقة هذه إلى 8 كيلووات وربما تتجاوز 10 كيلووات لكل وحدة إمداد بالطاقة أحادية الطور.

نظرًا لأن الكفاءة تظل مصدر قلق بالغ نظرًا لتأثيرها المباشر على تكاليف الكهرباء واستهلاكها، يجب أن تحقق مصادر الطاقة هذه في الوقت نفسه كثافة طاقة عالية جدًا (تصل إلى 100 واط/بوصة).³) وكفاءة استثنائية (تصل إلى 97.5%).

يمثل اعتماد أجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) القائمة على كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم حلاً واضحًا في هذا السياق. تعد دوائر تصحيح عامل القدرة (PFC) ذات القطب الطوطمي التي تستخدم وحدات SiC MOSFETs ومراحل DC/DC التي تعمل بترددات تحويل عالية هي الاختيارات المفضلة للعديد من المصممين، مما يؤدي إلى الاستفادة من رقم الجدارة المفضل الذي توفره GaN HEMTs مع انخفاضها ر_{DS (على)} × س_oss المنتج ورسوم الاسترداد العكسي صفر.

يتضمن النهج الواعد الآخر استخدام طبولوجيا متعددة المستويات لـ PFC. لقد أظهرت شركة Infineon Technologies مؤخرًا مرحلة مكثف الطيران PFC ثلاثي المستويات لتحقيق كفاءة تصل إلى 99.2% عند كثافة طاقة تتجاوز 150 واط/بوصة.³.

تم بناء هذا المفهوم على وحدة SiC MOSFET التي سيتم إطلاقها قريبًا بتصنيف 400 فولت. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام دائرة خاصة للاستفادة بكفاءة تقريبًا من الطاقة المخزنة بالكامل داخل خلايا المكثف الإلكتروليتي مع الحفاظ على جهد دخل ثابت لمحول DC/DC.

تتطلب متطلبات الطاقة الهائلة للمعالجات الحديثة حلولاً مبتكرة عبر سلسلة تحويل الطاقة بأكملها. تكون وحدات الطاقة الخلفية الرأسية مطلوبة للتعامل مع تيارات المعالج المتزايدة باستمرار، في حين توفر حاويات IBC ذات جهد الخرج بين 6 و8 فولت عملية موازنة بين خسائر توزيع الطاقة وخسائر التبديل في مراحل POL.

توفر محولات الطاقة الجزئية حلاً موثوقًا للطاقة الاحتياطية في حالة فقدان طاقة التيار المتردد. وفي الوقت نفسه، يمكن لإمدادات الطاقة AC/DC الاستفادة بشكل كبير من البنى متعددة المستويات المقترنة بأحدث أجهزة الطاقة المعتمدة على WBG.

مرجع

¹ديبوي وآخرون. (2024). “التحديات والحلول لتشغيل أحدث أجيال المعالجات لمراكز البيانات ذات النطاق الفائق.” معرض ومؤتمر PCIM.

The post تحديات توصيل الطاقة للمعالجات الحديثة في مراكز البيانات فائقة الحجم ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.

[ad_2]