نافيتاس لأشباه الموصلات تكشف عن مصدر طاقة عالي الكفاءة بقدرة 4.5 كيلوواط لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي

طرحت شركة Navitas Semiconductor تصميمًا مرجعيًا جديدًا لإمدادات الطاقة لمركز بيانات يعمل بالذكاء الاصطناعي بقدرة 4.5 كيلووات. يستخدم هذا التصميم GaNSafe الأمثل ومكونات الطاقة من الجيل الثالث “السريع” (G3F) من SiC، مما يحقق كثافة طاقة تبلغ 137 واط/بوصة مكعبة وكفاءة تتجاوز 97%. تمثل متطلبات الطاقة المتزايدة للجيل القادم من وحدات معالجة الرسومات المدعمة بالذكاء الاصطناعي تحديات وفرصًا كبيرة لتصميمات إمدادات الطاقة لمراكز البيانات.

في مقابلة مع ليو فوجان إدموندز، المدير الأول، وتاو وي، كبير هندسة التطبيقات في Navitas، سلطوا الضوء على كيف أن الطلب المتزايد على الطاقة للجيل القادم من وحدات معالجة الرسومات المدعمة بالذكاء الاصطناعي يمثل تحديات وفرصًا كبيرة لتصميمات إمدادات الطاقة في مراكز البيانات. وقال المتحدثون: “إن متطلبات الطاقة للجيل القادم من وحدات معالجة الرسومات المدعمة بالذكاء الاصطناعي ستزداد بشكل كبير، مما يؤدي إلى إنتاج طاقة أعلى وكثافة طاقة أكبر”. يصبح الحفاظ على أقصى قدر من الكفاءة مع أفضل أساليب التبريد الحراري أمرًا بالغ الأهمية مع ارتفاع إنتاج الطاقة. تتطلب مستويات الطاقة الأعلى أجهزة RDS(ON) أقل، ولكن يجب أن تحتوي هذه الأجهزة أيضًا على الحد الأدنى من خسائر التبديل لضمان الأداء الأمثل.

وأضافوا: “زيادة كثافة الطاقة تستلزم ترددات أعلى لتقليل حجم المكونات المغناطيسية والعناصر المنفعلة”. يعد هذا التحول نحو الترددات الأعلى أمرًا بالغ الأهمية لاستيعاب التصميمات المدمجة التي تتطلبها مراكز البيانات الحديثة. فقط المواد المتقدمة مثل أجهزة SiC (كربيد السيليكون) وGaN (نيتريد الغاليوم) يمكنها تلبية هذه المتطلبات الصارمة مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية. وشدد المتحدثون على أن “تقنيات كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم ضرورية للتعامل مع متطلبات الطاقة المتزايدة وتحقيق كفاءة أعلى”. ومن خلال اعتماد هذه المواد المتقدمة ومعالجة التحديات الحرارية وكثافة الطاقة، يمكن لمراكز البيانات أن تدعم بشكل فعال احتياجات الطاقة للجيل القادم من وحدات معالجة الرسومات المدعمة بالذكاء الاصطناعي.

توفر تقنيات الجيل التالي من نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) فوائد استدامة كبيرة لإمدادات الطاقة في مراكز البيانات. تعمل هذه المواد المتقدمة على تحسين كفاءة النظام نظرًا لأدائها المتفوق وانخفاض الخسائر الديناميكية مقارنة بحلول السيليكون التقليدية. وتساهم هذه الكفاءة المتزايدة بشكل مباشر في تقليل ثاني أكسيد الكربون، حيث يتم إهدار طاقة أقل على شكل حرارة.

علاوة على ذلك، تدعم تقنيات GaN وSiC “إزالة الطابع المادي” لأنظمة إمداد الطاقة. من خلال تمكين كثافة طاقة أعلى، تسمح هذه المواد بتقليل حجم المكونات مثل المغناطيسات، والمواد الخاملة، وأنظمة التبريد. ويترجم هذا التخفيض في الحجم إلى انخفاض استخدام المواد، وخاصة المعادن مثل الألومنيوم والنحاس، والتي تستخدم عادة في هذه المكونات.

“يتيح التبديل العالي لـ GaN وSiC تقليل حجم المواد المغناطيسية والسلبية والتبريد. وهذا يقلل من محتوى المواد مثل الألومنيوم والنحاس، مما يدعم الاستدامة وأهداف ESG.

معالجة متطلبات الطاقة المتزايدة لوحدات معالجة الرسوميات التي تعمل بالذكاء الاصطناعي

مع ظهور الجيل التالي من وحدات معالجة الرسوميات التي تعمل بالذكاء الاصطناعي، مثل Blackwell B100 وB200 من NVIDIA، والتي يتطلب كل منها أكثر من 1 كيلو واط من الطاقة، تضاعفت متطلبات الطاقة للحوسبة عالية الطاقة ثلاث مرات مقارنة بوحدات المعالجة المركزية التقليدية. وبالتالي، تزداد مواصفات الطاقة لكل حامل في مركز البيانات من 30-40 كيلووات إلى 100 كيلووات.

واستجابة لهذه الطلبات المتصاعدة، أعلنت نافيتاس عن خارطة طريق طاقة الذكاء الاصطناعي الخاصة بها في مارس 2024، والتي تسلط الضوء على حلول الطاقة المتقدمة لمراكز البيانات المصممة خصيصًا لأنظمة الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء (HPC). كان العرض الأولي في خريطة الطريق هذه عبارة عن محول AC-DC بقدرة 3.2 كيلووات قائم على GaNFast في عامل شكل مصدر الطاقة الفائض المشترك (CRPS)، مع الالتزام بمواصفات مشروع Open Compute Project الفائق النطاق. أظهر CRPS185 بقدرة 3.2 كيلووات (بطول 185 ملم) انخفاضًا في الحجم بنسبة 40% مقارنة بحلول السيليكون القديمة المكافئة مع تجاوز معيار الكفاءة “Titanium Plus”، وهو معيار بالغ الأهمية لعمليات مراكز البيانات واللوائح الأوروبية.

التقدم في كثافة الطاقة والكفاءة

يعرض أحدث تصميم لـ CRPS185 بقدرة 4.5 كيلووات كيفية دمج GaNSafe الدوائر المتكاملة للطاقة و GeneSiC Gen-3 ‘Fast’ (G3F) تحقق الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (G3F) كثافة طاقة وكفاءة غير مسبوقة. من الأمور المركزية في هذا التصميم هو تصحيح عامل القدرة لقطب الطوطم (PFC) لوضع التوصيل المستمر المشذّر باستخدام SiC، جنبًا إلى جنب مع طوبولوجيا الجسر الكامل LLC التي تستخدم GaN. يعمل هذا التكوين على الاستفادة من نقاط القوة الكامنة في كل تقنية من تقنيات أشباه الموصلات لتحقيق التردد العالي والتشغيل في درجات الحرارة المنخفضة والموثوقية المحسنة والمتانة، إلى جانب كثافة الطاقة والكفاءة الفائقة.

“يتمتع Interleaved CCM TP-PFC بكفاءة ممتازة مع وحدات Navitas’ GaNSafe وGensic G3F ‘Fast’ SiC MOSFET، والتي توفر كفاءة تصل إلى 99.1%. بالمقارنة مع GaN، يتمتع SiC بقدرة IDS أفضل وRDS(ON) أفضل عند درجة حرارة عالية، لذا فإن SiC أفضل في CCM TP-PFC (التبديل الصعب). إن Full-bridge LLC عبارة عن طوبولوجيا سهلة التبديل يمكنها تحقيق كفاءات عالية (> 98.5%). لتحقيق 4.5 كيلووات في وحدة PSU AI (كثافة طاقة تبلغ 137 وات/بوصة^3)، تعمل شركة LLC بتردد 300 كيلو هرتز، حيث توفر GaN أفضل أداء تحويل مقارنةً بـ SiC، لذا فإن GaN أفضل لـ 300 كيلو هرتز LLC (التبديل الناعم). وقال المتحدثون إن هذا الهجين من التقنيات يمكّننا من تحقيق أعلى كثافة طاقة في العالم.

تشتمل وحدات MOSFET ذات 650 فولت G3F SiC على تقنية “المستوى المدعم بالخنادق”، مما يوفر أداءً استثنائيًا في نطاقات درجات الحرارة، وبالتالي ضمان أقصى قدر من كفاءة النظام وموثوقيته في التطبيقات العملية. بالنسبة لمرحلة شركة ذات مسؤولية محدودة، يتم تجميع وحدات الطاقة المتكاملة GaNSafe بقدرة 650 فولت، والتي تتميز بقدرات الطاقة والحماية والتحكم والقيادة المتكاملة، في حزمة طاقة TOLL مناسبة حراريًا. تُظهر هذه الدوائر المتكاملة أيضًا خسائر تبديل منخفضة للغاية، وقدرات جهد عابر تصل إلى 800 فولت، ومزايا عالية السرعة مثل شحن البوابة المنخفض (Qg)، وسعة الخرج (COSS)، وغياب خسارة الاسترداد العكسي (Qrr). يعمل التبديل عالي السرعة على تقليل حجم ووزن وتكلفة المكونات السلبية في مصادر الطاقة، مثل المحولات والمكثفات ومرشحات EMI. بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة كثافة الطاقة، توفر تقنيات الجيل التالي من GaN وSiC فوائد الاستدامة، وتحديدًا ثاني أكسيد الكربون₂ التخفيضات بسبب تحسين كفاءة النظام و”إزالة المواد”.

وقد اجتذبت المنصات بقدرة 3.2 كيلووات و4.5 كيلووات بالفعل اهتمامًا كبيرًا في السوق، مع وجود أكثر من 30 مشروعًا لعملاء مراكز البيانات قيد التطوير، مما قد يؤدي إلى نمو كبير في الإيرادات من عام 2024 إلى عام 2025.

تتماشى خارطة طريق طاقة الذكاء الاصطناعي الخاصة بشركة Navitas Semiconductor مع الاتجاهات سريعة التطور والتوقعات المستقبلية في متطلبات نظام الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء (HPC). مع تزايد انتشار خدمات الذكاء الاصطناعي، يتزايد الطلب على سرعات حسابية أسرع ومتطلبات طاقة أعلى، خاصة مع الانتقال من وحدات المعالجة المركزية (CPU) إلى وحدات معالجة الرسومات. وقال المتحدثون: “إننا نشهد زيادة غير مسبوقة في الطلب على الطاقة، حيث تتطلب أجهزة التوسعة الفائقة الحالية ما بين 10 إلى 14 كيلووات لكل رف، وتشير التوقعات إلى ارتفاع إلى 60 كيلووات للخوادم القائمة على الذكاء الاصطناعي”.

وفي هذا السياق، لا يمكن إلا لتقنيات كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) تلبية كثافات الطاقة المتصاعدة هذه مع الحصول على شهادة 80 Plus Titanium. ويستفيد النهج المبتكر لشركة Navitas Semiconductor من هذه المواد لتوفير كفاءة وأداء لا مثيل لهما. وتجسد وحدة إمداد الطاقة (PSU) التي تعمل بالذكاء الاصطناعي بقدرة 4.5 كيلووات هذه القدرة. وأضاف المتحدثون: “تمكننا وحدات GaNSafe وGen 3 ‘Fast’ SiC MOSFETs من تقديم وحدة تزويد الطاقة (PSU) لمركز بيانات بأعلى كثافة طاقة على هذا الكوكب”.

إحدى المزايا الرئيسية لتقنيات GaN وSiC من Navitas هي قدرتها على تحقيق ترددات تحويل عالية جدًا بأقل قدر من الخسائر. تعمل هذه الميزة على تقليل حجم ووزن العناصر المغناطيسية والمكونات السلبية بشكل كبير، مما يساهم في زيادة كفاءة النظام بشكل عام. يوضح المتحدث قائلاً: “إن تحقيق ترددات تحويل عالية جدًا مع خسائر منخفضة يسمح لنا بتقليل العناصر المغناطيسية والمكونات السلبية مع تمكين أعلى كفاءة للنظام”.

تعالج خارطة طريق طاقة الذكاء الاصطناعي الخاصة بشركة Navitas Semiconductor المتطلبات الحالية لأنظمة الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء وتستعد للتطورات المستقبلية. ومن خلال التركيز على تقنيات أشباه الموصلات المتقدمة، مثل GaN وSiC، تتيح Navitas كفاءة وأداء أعلى في مجال إلكترونيات الطاقة. تدعم خريطة الطريق الخاصة بهم قابلية التوسع في البنى التحتية للذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء، مما يضمن قدرتها على تلبية متطلبات الطاقة المتطورة.

ظهرت المقالة Navitas Semiconductor تكشف عن مصدر طاقة عالي الكفاءة بقدرة 4.5 كيلووات لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي للمرة الأولى على Power Electronics News.