Modernit komponentit datakeskusten HPC-järjestelmien virransyötössä tekoälybuumin keskellä

Datakeskusten kasvu on hurjaa pilvipalveluiden laajentumisen ja suurista kielimalleista (LLM) riippuvaisten tekoälysovellusten (AI) äkillisen kysynnän myötä. Nämä molemmat vaativat suurempaa skaalautuvuutta ja valtavia laskentaresursseja. Tämä edellyttää erikoistuneita komponentteja käyttäviä uuden sukupolven suurtehoisia laskentajärjestelmiä (HPC), jotka pystyvät vastaamaan korkeampiin virransyöttö- ja lämmönhallintatarpeisiin.

Nämä datakeskustarpeet kasvattavat parannettujen passiivikomponenttien kysyntää, esimerkkeinä tehokondensaattorit, vastukset ja induktorit, joita tuotesuunnittelijat voivat käyttää edistyneempien HPC-laitteiden kehittämisessä AI-prosessointivaatimusten täyttämiseksi. Näihin vaatimuksiin kuuluvat korkeampi hyötysuhde, suorituskyky, luotettavuus, lämmönhallinta sekä pienikokoisemmat laitteet. Näiden ansiosta datakeskukset voivat optimoida käytettävää tilaa ja kasvattaa järjestelmien tiheyttä.

Paremmat induktorit lisäävät HPC-hyötysuhdetta

KEMET, YAGEO Groupin tytäryhtiö, kehitti metallikomposiitti-induktoreita DC-DC-muuntimien ja hakkurivirtalähteiden suorituskyvyn parantamiseksi. Käyttäen yrityksen kokemusta räätälöityjen magneettikomponenttien toimittajana se on kehittänyt standardoidun METCOM MPX -tehoinduktoreiden sarjan, joka kestää paremmin virtatransientteja ja korkeampia käyttölämpötiloja tarjoten sekä kompaktin ratkaisun että korkean suorituskyvyn.

METCOMin metallikomposiitti-tehoinduktorien ominaisuuksiin kuuluu ytimen korkea kyllästymisvuontiheys, joka mahdollistaa perinteisiä ferriitti-induktoreja voimakkaamman magneettikentän. Ne tarjoavat tasaisen induktanssin lämpötilan ja virran suhteen.

Ydin koostuu metallijauheesta eristävällä pinnoitteella ja sideaineella. MPX-sarjan induktanssialue on 0,1–100 µH.

Induktorissa käytetään pyöreää kuparilankaa, jota ympäröi sintrattu magneettinen metallikomposiittijauhe (kuva 1). Se takaa tasaisen induktanssin lämpötilan ja virran suhteen, mikä tekee ratkaisusta sopivan erilaisiin DC-DC-regulaattoreihin, kuten datakeskusten palvelimien hakkurivirtalähteisiin, tehoinduktoreihin, EMI-suodatininduktoreihin ja kuormapisteregulaattoreihin.

Kuva 1: METCOM MPX -tehoinduktoreissa käytetään pyöreää kuparilankaa, jota ympäröi sintrattu magneettinen metallikomposiittijauhe. (Kuvan lähde: KEMET)

Metallijauhe mahdollistaa induktoreiden valmistamisen korkeammalla energiatiheydellä ja paremmalla lämmönkestävyydellä. Tämä puolestaan mahdollistaa ferriittiytimillä varustettuja induktoreita pienemmän tilantarpeen ja sellaisia lisäetuja kuten pienemmät ydinhäviöt korkeammilla taajuuksilla ja paremman sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaimennuksen. Kaikki tämä yhdessä lisää kestävyyttä ja luotettavuutta, jotka ovat datakeskustoiminnoille välttämättömiä.

Kemet tarjoaa MPX-sarjan yli 200 mallilla (kuva 2) laajan valikoiman vaihtoehtoja. Saatavia olevia mittoja ovat 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm ja 22 x 22 mm.

Kuva 2: METCOM MPX -sarja. (Kuvan lähde: KEMET)

Esimerkiksi tehoinduktori MPX1D0630L3R3 on 6 x 6 mm:n kokoinen 3,0 mm korkea komponentti, joka mahdollistaa tehokkaan tilankäytön tiheästi pakatulla piirilevyllä suorituskyvystä tinkimättä. Sen käyttölämpötilaluokitus on +155 °C (maksimi), induktanssi 3,30 µH ±20 % ja maksimi DC-vastus 30,3 mΩ. Näin se sopii HPC-ympäristöihin, joissa jatkuvan tehon, lämmönhallinnan ja hyötysuhteen säilyttäminen on kriittistä.

Vähemmän tiukkoihin vaatimuksiin tai monipuolisemmalle induktanssiarvoalueelle on saatavana MPX1D0530L220-tehoinduktori, jonka pinta-ala on 5 x 5 mm, korkeus 3,0 mm ja induktanssi 22,00 µH. Se soveltuu korkeammalla DC-enimmäisvastuksella 341,2 mΩ käyttökohteisiin, joissa on vähemmän ongelmia lämmönhallinnan kanssa tai joissa järjestelmässä käytetään lisäjäähdytystä.

Ferriittikuristinvaihtoehdot HPC-käyttöön

Toinen YAGEO-yritys, Pulse Electronics, tarjoaa korkeille sähkövirroille optimoituja ferriittikuristimia. Ne on tarkoitettu HPC-järjestelmiin, joissa tarvitaan yleisesti sähkömagneettisten häiriöiden vaimennusta ilman tiukkoja suorituskykyvaatimuksia. Ne on suunniteltu erityisesti käytettäväksi TLVR (transinduktorijänniteregulaattori) -topologian kanssa.

Ferriittiydintä käyttävät ferriittikuristimet ovat vaihtoehto käämityille toroidi-induktoreille, joita tyypillisesti käytetään pöytätietokoneiden VCORE-jänniteregulaattorien virransyötössä. Läpiasennustekniikkaa (THT) käyttävät ferriittikuristimet tarjoavat paremman hyötysuhteen ja tiukemmat toleranssit, mikä mahdollistaa pienikokoisemmat VCORE-regulaattorit.

Ferriittikuristimet mahdollistavat pienemmän induktanssin sen sijaan, että yksikäämisten induktorien rippelivirrat porrastettaisiin monivaiheisessa jännitteenalennustopologiassa. Ne myös mahdollistavat tasapainottamisen nopeuden, jolla muunnin reagoi kuormitusvirran muutokseen (transienttivaste), ja ohjaussilmukan stabiiliuden välillä.

Pulse Electronicsin komponentteja käytetään tyypillisesti korkean virtaluokituksen monivaiheisissa jänniteregulaattoreissa, jotka syöttävät virtaa prosessoreille, muistimoduuleille sekä palvelimissa, näytönohjaimissa, muisteissa ja datakeskuksissa käytettäville paljon virtaa vaativille sovelluskohtaisille mikropiireille (ASICS) ja ohjelmoitaville porttimatriiseille (FPGA). Näitä kaksikäämisiä TLVR-induktoreja on saatavana kokoluokissa välillä 4 x 4 mm – 13 x 13 mm ja niiden induktanssit ovat 20 nH – 1 µH.

PAL6373.XXXHLT-sarjaan kuuluvat (kuva 3) mallit, kuten PGL6380.101HLT, käyttävät 12 x 6 mm:n koteloa. Niiden induktanssit ovat 100–200 nH, kyllästymisvirtaluokitus 59–125 A (hetkellinen) ja käyttölämpötila-alue −40 ...+125 °C. Ne on valmistettu ferriittiytimestä, joka on asennettu 1T- tai 2T-käämityksen päälle, ja niiden ominaisuuksiin kuuluvat erittäin alhainen DC-vastus (DCR), korkea hetkellinen sähkövirta ja alhaiset AC-häviöt. Näitä induktoreita on saatavana yksivaiheisina, integroituina monivaiheisina ja kytkettyinä versioina.

Kuva 3: Pulse Electronicsin PAL6373.XXXHLT-sarjan ferriittikuristin. (Kuvan lähde: Pulse Electronics)

Valinta ferriittikuristimien ja metallikomposiittityyppisten induktoreiden välillä riippuu HPC-järjestelmissä aina kyseisen järjestelmän erityisvaatimuksista, kuten korkean induktanssivakauden, lämmönkestävyyden ja kohinanvaimennuksen tarpeesta. KEMET-induktorit tarjoavat vakaan suorituskyvyn laajalla lämpötila-alueella (jopa +180 °C) ja niiden valettu metallirakenne auttaa vähentämään akustista melua, mistä voi olla hyötyä kohinaherkissä HPC-järjestelmissä.

Stabiilit, pitkäikäiset kondensaattorit

KEMETin johtavaa kiinteää polymeeriä käyttävät alumiini-elektrolyyttikondensaattorit soveltuvat hyvin myös HPC-järjestelmien haastaviin vaatimuksiin, joissa suorituskyky, hyötysuhde ja luotettavuus ovat kriittisiä tekijöitä.

Toisin kuin perinteiset ”märät” alumiinielektrolyyttikondensaattorit, jotka käyttävät johtavaa nestemäistä elektrolyyttiä, KEMET-kondensaattoreiden kiinteät polymeerit tarjoavat alhaisen ekvivalentin sarjavastuksen (ESR), joka on stabiili eri lämpötiloissa ja taajuuksilla koko komponentin käyttöiän ajan.

Korkeampia rippelivirtoja kestävät kiinteät polymeerikomponentit sietävät paremmin tärinää ja ovat vakaampia verrattuna märkiin kondensaattoreihin, joissa elektrolyytti voi kuivua ja pettää. Lisäksi niiden käyttöikä on pidempi. Niiden kapasitanssi pysyy korkeana korkeilla taajuuksilla, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon korkeataajuisia virtalähteitä varten.

KEMET-kondensaattorit toimivat tehokkaasti HPC-järjestelmille tyypillisillä korkeilla virtavaatimuksilla ilman merkittäviä tehohäviöitä. Ne kestävät myös tavallisia elektrolyyttejä korkeampia jännitteitä johtavan polymeerin ja elektrolyytin yhdistelmän ansiosta. Kiinteiden polymeeri-alumiinielektrolyyttikondensaattoreiden paremmat sähköiset ominaisuudet ja kestävyys voivat parantaa merkittävästi HPC-järjestelmien yleistä hyötysuhdetta ja luotettavuutta muihin vaihtoehtoihin verrattuna.

KEMETin A768-sarjan pintaliitoskondensaattorit (kuva 4) on suunniteltu tarjoamaan pidempi käyttöikä ja parempi stabiilius laajalla lämpötila-alueella. Niiden kapasitanssi on 18–1200 µF ja jännitealue 4 V_DC – 80 V_DC. Esimerkiksi A768MS108M1CLAE015 on 16 V:n ja 1000 µF:n versio, jonka ESR-luokitus on 15 milliohmia ja käyttölämpötila-alue −55 °C ... +125 °C Sen liitoskohdan koko on 0,406” (pituus) x 0,406” (leveys) (10,30 mm x 10,30 mm).

Kuva 4: KEMETin A768-sarjan kiinteä polymeeri-alumiinikondensaattori pinta-asennukseen. (Kuvan lähde: KEMET)

Nämä kondensaattorit on suunniteltu säilyttämään suorituskyky vaativissa lämpöolosuhteissa. Saatavana on versioita, jotka kestävät jopa 30 g:n tärinää HPC-ympäristöissä, joissa mekaaninen rasitus tai liike voi aiheuttaa epävakautta.

Ohutkalvoiset pintaliitosvastukset

Toisen tärkeän komponentin HPC-ympäristöissä tarjoavat pintaliitosvastukset, jotka täydentävät tehoinverttereitä ja kondensaattoreita tarjoamalla suojan liiallista sähkövirtaa vastaan ja takaavat järjestelmän yleisen vakauden ja hyötysuhteen. YAGEO Group toi vuonna 2023 markkinoille tantaalinitridistä valmistettujen ohutkalvoisten pintaliitosvastusten NT-sarjan, joka on suunniteltu säilyttämään korkea tasainen suorituskyky vaativissa ympäristöissä.

NT-sarjan itsepassivoituva rakenne muodostaa vesitiiviin kerroksen, joka suojaa vastuskerrosta niin, ettei kosteus pääse sen sisälle. Näitä komponentteja on saatavana kotelokokoina 0402–1206 ja vastusarvoina 100 Ω – 481 kΩ.

NT-vastuksien laaja käyttölämpötila-alue (−55 ...+155 °C) mahdollistaa vakaan tehonjakelun ja energian tehokkaan siirron. Ne tarjoavat alhaisen vastuksen lämpötilakertoimen (TCR) ±25, ±50 ppm/°C ja teholuokitukset 1/20 W – 2/5 W.

Yhteenveto

Pilvilaskennan ja tekoälyn vaatimukset kasvattavat tiettyjä ominaisuuksia tarjoavien elektroniikkakomponenttien kysyntää haluttaessa taata korkea luotettavuus vaativissa olosuhteissa. Suunnittelijat voivat vastata HPC-järjestelmien kasvaviin vaatimuksiin erikoistuneilla tehoinduktoreilla, vastuksilla ja kondensaattoreilla, joita esimerkiksi YAGEO Group ja sen tytäryhtiöt KEMET ja Pulse Electronics toimittavat.