Moderne komponenter driver HPC-systemer i datacentre midt i AI-bølgen

Væksten i datacentre stiger kraftigt på grund af udvidelsen af cloud-tjenester og den pludselige efterspørgsel efter applikationer til kunstig intelligens (AI), der er afhængige af store sprogmodeller (LLM'er), som kræver større skalerbarhed og enorme beregningsressourcer. Det kræver en ny generation af HPC-systemer (High Performance Computing) med specialiserede komponenter, der kan opfylde højere krav til strømforbrug og varmestyring.

Disse datacenterbehov driver efterspørgslen efter forbedrede passive komponenter som effektkondensatorer, modstande og induktorer, som produktdesignere kan bruge til at udvikle mere avancerede HPC-enheder for at opfylde kravene til AI-behandling. Disse krav omfatter større effektivitet, ydeevne, pålidelighed og termisk styring i mindre enheder, der gør det muligt for datacentre at optimere pladsen og øge tætheden af deres systemer.

Bedre induktorer til HPC-effektivitet

KEMET, et datterselskab af YAGEO Group, har udviklet metalkompositinduktorer til at forbedre ydeevnen i DC-DC-konvertere og switch-mode strømforsyninger. Ved at udnytte sin historie som leverandør af brugerdefinerede magnetiske komponenter til OEM'er udviklede virksomheden en standardiseret serie af METCOM MPX effektinduktorer, der har højere tolerance over for strømtransienter og højere driftstemperaturer, hvilket giver både kompakt design og høj ydeevne.

METCOMs effektinduktorer i metalkomposit har en kerne med høj mætningsfluxtæthed, hvilket giver et stærkere magnetfelt end traditionelle ferrit-induktorer. De giver en stabil induktans på tværs af temperatur og strøm.

Kernen består af metalpulver med en isolerende belægning og bindemiddel. Det tilgængelige induktansområde for MPX-serien er 0,1 til 100 µH.

Ved at bruge rund kobbertråd omgivet af et sintret magnetisk metalkompositpulver (figur 1), der er i stand til at opnå stabil induktans på tværs af temperatur og strøm, gør induktorkonstruktionen den velegnet til mange DC-til-DC-regulatorer som f.eks. switch-mode-strømforsyninger til datacenterservere, som effektinduktorer, EMI-filterinduktorer og point-of-load-regulatorer.

Figur 1: METCOM MPX effektinduktorer bruger rund kobbertråd omgivet af et sintret magnetisk metalkompositpulver. (Billedkilde: KEMET)

Metallisk pulver gør det muligt at producere spoler med højere energitæthed og større varmebestandighed, hvilket muliggør mindre fodaftryk end ferritkerne, sammen med de yderligere fordele ved lavere kernetab ved højere frekvenser og bedre undertrykkelse af elektromagnetisk interferens (EMI). Alt dette giver tilsammen større holdbarhed og pålidelighed, hvilket er afgørende for driften af datacentre.

Med mere end 200 muligheder i MPX-serien (figur 2) giver Kemet en bred vifte af valgmuligheder. De tilgængelige dimensioner er 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm og 22 x 22 mm.

Figur 2: METCOM MPX formfaktor. (Billedkilde: KEMET)

MPX1D0630L3R3 er f.eks. en 6 x 6 mm komponent med en højde på 3,0 mm, der giver mulighed for effektiv udnyttelse af pladsen på et tætpakket printkort uden at gå på kompromis med ydeevnen. Med en nominel driftstemperatur på op til +155 °C, en induktans på 3,30 µH ±20 % og en maksimal DC-modstand på 30,3 mΩ er den velegnet til HPC-miljøer, hvor opretholdelse af strømintegritet, termisk styring og effektivitet er afgørende.

For mindre strenge krav eller større alsidighed med hensyn til induktansværdier kommer MPX1D0530L220 i et 5 x 5 mm fodaftryk med en højde på 3,0 mm og en induktans på 22,00 µH. Med en højere maksimal DC-modstand på 341,2 mΩ vil den være velegnet i tilfælde, hvor varmestyring er et mindre problem, eller hvor der er indbygget ekstra køling i systemet.

Muligheder for effektperle-induktorer til HPC

I HPC-systemer, hvor der er behov for generel EMI-undertrykkelse uden strenge krav til ydeevne, tilbyder et andet YAGEO-selskab, Pulse Electronics, effektperle-induktorer, der er optimeret til håndtering af høj strøm. De er designet specielt til brug med TLVR-topologien (trans-inductor spændingsregulator).

Spoler med ferritkerne er et alternativ til spoler med viklet toroid, som typisk driver spændingsregulatorer med desktopkerne (VCORE). Effektperle-induktorer, der er fremstillet med gennemgående hul-teknologi, giver større effektivitet og snævrere tolerancer, hvilket giver mulighed for mindre størrelse i VCORE-regulatorer.

I stedet for at forskyde rippelstrømme fra enkeltviklede induktorer i en flerfaset buck-topologi, tillader effektperle-induktorerne mindre induktanser og muliggør en designafvejning mellem, hvor hurtigt konverteren reagerer på en ændring i belastningsstrømmen (transient respons) versus stabiliteten i kontrolsløjfen.

Pulse Electronics' komponenter bruges typisk i flerfasede spændingsregulatorer med høj strømstyrke, der forsyner processorer, hukommelsesmoduler og ASICS- og FPGA'er med høj strømstyrke til servere, grafikkort, lager og datacentre. Disse TLVR-induktorer med dobbeltvikling fås i størrelser fra 4 x 4 mm til 13 x 13 mm med induktansintervaller fra 20 nH til 1 µH.

Dele i PAL6373.XXXHLT-seriens formfaktor (figur 3), såsom PGL6380.101HLT, kommer i et 12 x 6 mm fodaftryk med induktanser fra 100 nH til 200 nH, mætningsstrømsvurderinger fra 59 A til 125 A spidsværdi og et driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C. De er konstrueret med en ferritkerne, der er samlet over en 1T- eller 2T-vinding, og har ekstremt lav DC-modstand (DCR), høj spidsstrøm og lave AC-tab. De fås i enkeltfasede, integrerede faser og koblede induktorversioner.

Figur 3: Pulse Electronics' PAL6373.XXXHLT-serie af effektperle-induktorer med formfaktor. (Billedkilde: Pulse Electronics)

For HPC-systemer afhænger valget mellem effektperle-induktorer og metalliske komposittyper af systemets specifikke krav, såsom behovet for høj induktansstabilitet, temperaturbestandighed og støjreduktion. KEMET-induktorerne har en stabil ydeevne over et udvidet temperaturområde på op til +180 °C, og deres støbte metalstruktur hjælper med at reducere akustisk støj, hvilket kan være en fordel i støjfølsomme HPC-systemer.

Stabile kondensatorer med lang levetid

Ledende polymer-aluminium-fastelektrolytkondensatorer fra KEMET er også velegnede til de krævende krav i HPC-systemer, hvor ydeevne, effektivitet og pålidelighed er afgørende.

I modsætning til traditionelle "våde" aluminiumelektrolytkondensatorer, der bruger ledende flydende elektrolytter, har de faste polymerer i KEMET-kondensatorer en lav ækvivalent seriemodstand (ESR), der er stabil på tværs af temperaturer, frekvenser og driftslevetid.

Solid polymer-enheder kan klare højere rippelstrømme og længere levetid end våde kondensatorer, hvor elektrolytten kan tørre ud og svigte, og de er mere modstandsdygtige over for vibrationer og designet til større stabilitet. De opretholder kapacitansen effektivt ved høje frekvenser, hvilket gør dem til en attraktiv mulighed for hurtigt skiftende strømforsyninger.

KEMET-kondensatorer fungerer effektivt under de høje strømkrav, der er typiske for HPC-systemer, uden væsentligt effekttab, og de kan klare højere spændinger sammenlignet med standardelektrolytter på grund af kombinationen af ledende polymer og elektrolyt. De forbedrede elektriske egenskaber og robustheden af faste elektrolytkondensatorer af polymeraluminium kan forbedre den samlede effektivitet og pålidelighed af HPC-systemer betydeligt i forhold til alternativer.

KEMETs A768-serie af overflademonterede kondensatorer (figur 4) er designet til at give længere levetid og større stabilitet over en lang række temperaturer og fås med værdier fra 18 µF til 1.200 µF og med spændinger fra 4 V_DC til 80 V_DC. For eksempel er A768MS108M1CLAE015 en 16 V, 1000 µF-version med en ESR-klassificering på 15 mOhm og et driftstemperaturområde på -55 °C ~ +125 °C. Den har en landingsplade på 0,406" L x 0,406" B (10,30 mm x 10,30 mm).

Figur 4: En KEMET A768-serie overflademonteret solid polymer-aluminiumkondensator. (Billedkilde: KEMET)

Disse kondensatorer er designet til at opretholde ydeevnen under krævende termiske forhold, og der findes versioner, der kan modstå vibrationer på op til 30 g til HPC-miljøer, hvor mekanisk stress eller bevægelse kan forårsage ustabilitet.

Tyndfilm-chipmodstande

En anden vigtig komponent i HPC-design er chipmodstande, der supplerer effektomformere og kondensatorer for at beskytte mod for høj strømstyrke og sikre et systems overordnede stabilitet og effektivitet. I 2023 introducerede YAGEO Group sin NT-serie af tantalnitrid-tyndfilm-chipmodstande, der er designet til at opretholde en høj konsistent ydeevne i krævende miljøer.

NT-seriens selvpassiveringsdesign danner et vandtæt lag, der afskærmer det resistive lag for at forhindre fugtindtrængning. Enhederne fås i formstørrelser fra 0402 til 1206, med et modstandsområde fra 100 Ω til 481 kΩ.

Med et bredt driftstemperaturområde på -55 °C til +155 °C bidrager NT-modstandene til stabil strømfordeling og effektiv energioverførsel. De har en lavtemperaturmodstandskoefficient (TCR) på ±25, ±50 ppm/°C og en nominel effekt på 1/20 W til 2/5 W.

Konklusion

Kravene til cloud computing og kunstig intelligens øger behovet for elektroniske komponenter med specifikke egenskaber, der giver høj pålidelighed under krævende forhold. Designere kan opfylde de skiftende krav til HPC-systemer med specialiserede effektinduktorer, modstande og kondensatorer, som dem, der leveres af YAGEO Group og dens porteføljevirksomheder KEMET og Pulse Electronics.