Moderne komponenter driver HPC-systemer i datasentre takket være utbredt bruk av kunstig intelligens (AI)

Datasenterveksten er skyhøy takket være utvidelsen av skytjenester og den plutselige etterspørselen etter applikasjoner med kunstig intelligens (AI) som er avhengige av store språkmodeller (LLM – large language models) som krever større skalerbarhet og store databehandlingsressurser. Dette krever en ny generasjon HPC-systemer (HPC – High-Performance Computing – databehandling med høy ytelse) som bruker spesialiserte komponenter som kan dekke behovene for høyere effekt og varmestyring.

Disse datasenterbehovene driver etterspørselen etter forbedrede passive komponenter som effektkondensatorer, motstander og induktorer som produktutviklere kan bruke til å utvikle mer avanserte HPC-enheter for å oppfylle kravene til AI-prosessering. Disse kravene omfatter høyere virkningsgrad, ytelse, pålitelighet og varmestyring i mindre enheter, noe som gjør det mulig for datasentre å optimalisere plassen og øke tettheten til systemene sine.

Bedre induktorer for HPC-virkningsgrad

KEMET, et datterselskap av YAGEO Group, utviklet metallkomposittinduktorer for å forbedre ytelsen til DC–DC-omformere og ikke-lineære strømforsyninger. Ved å dra nytte av sin erfaring som leverandør av tilpassede magnetiske komponenter til OEM-er (originalprodusenter), utviklet de en standardisert METCOM MPX-effektinduktorserie som har bedre toleranse for strømtransienter og høyere driftstemperaturer, noe som gir både kompakt konstruksjon og høy ytelse.

METCOM-effektinduktorer i metallkompositt har høy metningsflukstetthet i kjernen, noe som muliggjør et sterkere magnetfelt enn tradisjonelle ferrittinduktorer. De gir stabil induktans på tvers av temperatur og strøm.

Kjernen består av metallpulver med et isolerende belegg og bindemiddel. Induktansområdet som er tilgjengelig for MPX-serien er fra 0,1 til 100 µH.

Den bruker rund kobbertråd omgitt av et sintret magnetisk metallkomposittpulver (figur 1) som gir stabil induktans på tvers av temperatur og strøm, noe som gjør induktorkonstruksjonen egnet for mange DC–DC-omformere, for eksempel ikke-lineære strømforsyninger for datasenterservere, som effektinduktorer, EMI-filterinduktorer og lastpunktregulatorer.

Figur 1: METCOM MPX-effektinduktorer bruker rund kobberledning omgitt av et sintret magnetisk metallkomposittpulver. (Bildekilde: KEMET)

Metallisk pulver gjør det mulig å produsere induktorer med høyere energitetthet og bedre varmebestandighet, noe som muliggjør mindre fysisk størrelse enn induktorer med ferrittkjerne, og gir i tillegg lavere kjernetap ved høyere frekvenser og overlegen demping av elektromagnetisk interferens (EMI). Alle disse kombineres for å gi bedre holdbarhet og pålitelighet, noe som er avgjørende for datasentervirksomhet.

Med mer enn 200 alternativer i MPX-serien (figur 2), tilbyr KEMET et bredt sortiment av alternativer. De tilgjengelige målene 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. (Bildekilde: KEMET)

MPX1D0630L3R3, for eksempel, er en komponent på 6 x 6 mm med en høyde på 3,0 mm, som muliggjør effektiv bruk av plassen på en tettpakket kretskort, uten å ofre ytelsen. Med en nominell driftstemperatur på opptil +155 °C, en induktans på 3,30 µH ±20 % og en maksimal DC-motstand (likestrømsmotstand) på 30,3 mΩ, er den egnet for HPC-miljøer der opprettholdelse av strømintegritet, varmestyring og virkningsgrad er avgjørende.

For krav som ikke er like strenge eller større allsidighet når det gjelder induktansverdier, kommer MPX1D0530L220 i et format på 5 x 5 mm og en høyde på 3,0 mm, med en induktans på 22,00 µH. Med en høyere maksimal DC-motstand på 341,2 mΩ, vil den være egnet for utrustninger der varmestyring ikke er en like stor utfordring, eller der ekstra kjøling er integrert i selve systemet.

Alternativer for effektinduktorkjerner for HPC

I HPC-systemer, der generell EMI-demping kreves uten strenge ytelseskrav, tilbyr et annet YAGEO-selskap, Pulse Electronics, effektinduktorkjerner (power bead inductors) som er optimalisert for å håndtere høy strøm. De er spesialutviklet for bruk med TLVR-topologi (TLVR – trans-inductor voltage regulator).

Effektinduktorkjerner av ferritt er et alternativ til induktorer med viklet toroid som vanligvis driver VCORE-regulatorer i stasjonære datamaskiner. Effektinduktorkjerner er produsert med hullmonteringsteknologi (THT – through-hole technology), og de gir bedre virkningsgrad og strammere toleranser, noe som muliggjør VCORE-regulatorer med mindre størrelse.

I stedet for svimlende rippelstrøm til induktorer med enkeltvikling i en flerfaset spenningsreduserende (buck) topologi, tillater effektinduktorkjernene mindre induktanser og muliggjør en konstruksjonsavveining mellom hvor raskt omformeren skal reagere på en endring i laststrømmen (transient-respons) kontra stabiliteten til styringssløyfen.

Pulse Electronics-komponenter brukes vanligvis i flerfasede spenningsregulatorer med høy strømstyrke som driver prosessorer, minnemoduler og ASIC-er og FPGA-er med høy strømstyrke for servere, grafikkort, lagringsplass og datasentre. Disse dobbeltviklede TLVR-induktorene er tilgjengelige i formater fra 4 x 4 mm til 13 x 13 mm og induktansområder fra 20 nH til 1 µH.

Deler i PAL6373.XXXHLT-formfaktorserien (figur 3), for eksempel PGL6380.101HLT, kommer i et format på 12 x 6 mm med induktanser som strekker seg fra 100 nH til 200 nH, metningsstrømklassifiseringer fra 59 A til 125 A spisstrøm og et driftstemperaturområde fra –40 °C til +125 °C. De er konstruert med en ferrittkjerne som er montert over en 1T- eller 2T-vikling, og de har ekstremt lav DC-motstand (DCR), høy spisstrøm og lave AC-tap. De er tilgjengelige i versjoner med enfase, integrerte faser og koblede induktorer.

Figur 3: Pulse Electronics-effektinduktorkjerne i PAL6373.XXXHLT-formfaktorserien. (Bildekilde: Pulse Electronics)

For HPC-systemer står valget mellom effektinduktorkjerner og induktortyper med metallkompositt, avhengig av de spesifikke kravene til systemet, for eksempel behovet for høy induktansstabilitet, temperaturbestandighet og støyreduksjon. KEMET-induktorene tilbyr stabil ytelse over et utvidet temperaturområde, opptil +180 °C, og den støpte metallstrukturen bidrar til å redusere akustisk støy, noe som kan være fordelaktig i støyfølsomme HPC-systemer.

Stabile kondensatorer med lang levetid

Ledende faststoff-elektrolyttkondensatorer i polymeraluminium fra KEMET er også godt egnet for de krevende kravene til HPC-systemer, der ytelse, virkningsgrad og pålitelighet er avgjørende.

I motsetning til tradisjonelle «våte» elektrolyttkondensatorer i aluminium som bruker ledende væskeelektrolytter, har de faste polymerstoffene i KEMET-kondensatorer en lav ekvivalent seriemotstand (ESR – equivalent series resistance) som er stabil på tvers av temperaturer, frekvenser og driftslevetid.

Polymerenheter i faststoff er i stand til høyere rippelstrømmer og lengre levetid enn våt-kondensatorer, der elektrolytten kan tørke og svikte, og de er mer vibrasjonsbestandige og konstruert for større stabilitet. De opprettholder kapasitans effektivt ved høye frekvenser, noe som gjør dem til et attraktivt alternativ for strømforsyninger med rask veksling.

KEMET-kondensatorer fungerer effektivt under de høye strømkravene som er vanlig i HPC-systemer uten betydelige effekttap, og de er kompatible med høyere spenninger sammenlignet med standard elektrolytter på grunn av kombinasjonen av ledende polymer og elektrolytt. De forbedrede elektriske egenskapene og robustheten til faststoff-elektrolyttkondensatorer i polymeraluminium kan kraftig forbedre den totale virkningsgraden og påliteligheten til HPC-systemer sammenlignet med alternativene.

KEMETs A768-serie med overflatemonterte kondensatorer (figur 4) er konstruert for å gi lengre levetid og større stabilitet over et bredt temperaturområde, og kommer i verdier fra 18 µF til 1200 µF og i spenninger fra 4 V_DC til 80 V_DC. For eksempel er A768MS108M1CLAE015 en 16 V, 1000 µF-versjon med en ESR-klassifisering på 15 mOhm og et driftstemperaturområde på –55 °C ~ +125 °C. Den har en landingsplatestørrelse (landing pad size) på 10,30 mm x 10,30 mm (0,406 x 0,406 tommer).

Figur 4: En overflatemontert KEMET-kondensator i polymeraluminium i A768-serien. (Bildekilde: KEMET)

Disse kondensatorene er konstruert for å opprettholde ytelsen under krevende termiske forhold, og versjoner som er i stand til å tåle vibrasjoner på opptil 30 g for HPC-miljøer er tilgjengelige der mekanisk belastning eller bevegelse kan forårsake ustabilitet.

Tynnfilmmotstander i flatbrikkeutførelse

En annen viktig komponent for HPC-konstruksjoner, er brikkemotstander som kompletterer effektomformere og kondensatorer for å beskytte mot overdreven strømflyt og sikre systemets generelle stabilitet og virkningsgrad. I 2023 introduserte YAGEO Group NT-serien, som omfatter tynnfilmbrikkemotstander i tantalnitrid konstruert for å opprettholde høy konsistent ytelse i krevende miljøer.

NT-seriens konstruksjon med selvpassivering (self-passivation) danner et vanntett lag som beskytter det resistive laget for å forhindre fuktinntrengning. Enhetene er tilgjengelige i kapslingsstørrelser fra 0402 til 1206, med et motstandsområde fra 100 Ω til 481 kΩ.

Med et bredt driftstemperaturområde fra –55 °C til +155 °C, bidrar NT-motstandene til stabil strømfordeling og effektiv energioverføring. De gir en lav-temperaturkoeffisient for motstand (TCR – temperature coefficient of resistance) på ±25, ±50 ppm/°C, med effektklassifiseringer fra 1/20 W til 2/5 W.

Konklusjon

Kravene til skytjenester (cloud computing) og kunstig intelligens (AI) driver behovet for elektroniske komponenter med bestemte egenskaper for å gi høy pålitelighet under krevende forhold. Teknikere kan oppfylle de stadig voksende kravene til HPC-systemer med spesialiserte effektinduktorer, motstander og kondensatorer, for eksempel de som leveres av YAGEO Group og datterselskapene deres KEMET og Pulse Electronics.