Mejorando la eficiencia de conversión de energía para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de IA
La inteligencia artificial (IA) es actualmente la dirección más destacada en el desarrollo tecnológico. Sin embargo, las aplicaciones de IA dependen de vastos centros de datos y potencia computacional, lo que también implica consumir una cantidad significativa de electricidad. Mejorar la eficiencia en la conversión de energía y evitar el desperdicio de energía son problemas cruciales para el desarrollo sostenible de la humanidad. Este artículo presentará los desafíos energéticos que enfrentan los centros de datos de IA y las soluciones de MOSFET proporcionadas por onsemi.
Desafíos de energía enfrentados por los centros de datos de IA
La electricidad está en el núcleo de la sociedad moderna y de las operaciones económicas, y con la creciente demanda de vehículos eléctricos y aplicaciones de inteligencia artificial, su importancia solo seguirá aumentando. La generación de energía es actualmente la mayor fuente de emisiones de dióxido de carbono (CO2) en todo el mundo, pero también puede liderar la transición hacia emisiones netas cero mediante la rápida expansión de fuentes de energía renovable como la solar y la eólica. Garantizar que los consumidores puedan acceder a la electricidad de manera segura y asequible mientras se reducen las emisiones globales de dióxido de carbono es uno de los desafíos centrales de la transición energética.
Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), los centros de datos consumieron alrededor del 2% de toda la electricidad en 2022, lo que equivale aproximadamente a 460 teravatios-hora (TWh). Con el aumento de aplicaciones intensivas en energía como las criptomonedas y la inteligencia artificial/aprendizaje automático (IA/ML), se espera que esta cifra aumente rápidamente. Este crecimiento en el consumo de energía se basa en la implementación de unidades de procesamiento gráfico (GPU) de alto rendimiento en estas tecnologías. La AIE predice que los centros de datos consumirán al menos 650 TWh para 2026, aunque un consumo que supere los 1,000 TWh no está fuera de posibilidad.
La tasa de crecimiento en el campo de la inteligencia artificial es realmente asombrosa. ChatGPT alcanzó 1 millón de usuarios en los primeros cinco días y 100 millones de usuarios en los primeros dos meses, superando significativamente las tasas de crecimiento de TikTok e Instagram. Entrenar GPT-4, con sus 1.7 billones de parámetros y utilizando 13 billones de tokens, requiere 25,000 GPUs NVIDIA A100, cada servidor consumiendo aproximadamente 6.5 kW. Según OpenAI, este entrenamiento tomó 100 días, consumió 50 GWh de energía y costó $100 millones.
Los primeros centros de datos convertían la tensión de la red eléctrica a 12V de manera centralizada y la distribuían a los servidores, donde se realizaban las conversiones de nivel lógico (3.3/5V). A medida que aumentaron los requisitos de energía, este método resultó en demasiada pérdida. Se aumentó la tensión del bus a 48V, reduciendo la corriente en 4 veces y las pérdidas en 16 veces.
A medida que los voltajes de los procesadores disminuyeron por debajo de 3,3V hasta niveles inferiores a un voltio, se necesitaron múltiples líneas de voltaje con una potencia relativamente alta. Esto llevó a un proceso de conversión de dos etapas en el que un convertidor DC-DC (conocido como convertidor de bus intermedio (IBC)) convierte 48V a un bus local de 12V antes de realizar las conversiones a voltajes más bajos.
Conversión de energía eficiente necesaria para los centros de datos de IA
Los requisitos de conversión de energía de los centros de datos de IA son particularmente importantes debido a sus exigencias de computación de alto rendimiento y procesamiento extenso de datos. Los centros de datos de IA necesitan manejar grandes cantidades de datos y tareas computacionales complejas, lo que significa que requieren sistemas de conversión de energía de alta eficiencia y alta densidad. Los convertidores de energía eficientes pueden reducir las pérdidas de energía, mejorando así el rendimiento y la eficiencia general del sistema.
El funcionamiento de los centros de datos requiere fuentes de alimentación altamente estables y confiables. Los convertidores de potencia deben proporcionar voltaje y corriente estables bajo diversas condiciones de carga para garantizar el funcionamiento normal de los servidores y otros equipos. Además, los sistemas de conversión de energía eficientes pueden reducir la generación de calor, aunque la gestión térmica efectiva sigue siendo necesaria. Los diseños térmicos optimizados ayudan a mantener la temperatura del sistema dentro de un rango seguro, lo que extiende la vida útil del equipo y mejora el rendimiento.
A medida que las aplicaciones de IA se desarrollan rápidamente, las demandas en los centros de datos continúan creciendo. Los sistemas de conversión de energía necesitan tener una buena escalabilidad para adaptarse de manera flexible a las necesidades de expansión futura. Especialmente considerando el consumo sustancial de energía de los centros de datos de IA, la gestión de la eficiencia energética es clave para reducir los costos operativos y el impacto ambiental. Los convertidores de energía eficientes pueden reducir significativamente el consumo de energía y mejorar la eficiencia en la utilización de la energía.
Para garantizar la alta disponibilidad de los centros de datos, los sistemas de conversión de energía generalmente deben diseñarse con redundancia para manejar posibles fallos de energía. Los diseños redundantes pueden proporcionar energía de respaldo, cambiando rápidamente cuando la fuente de energía principal falla, asegurando así la operación continua del sistema. Además, con la creciente conciencia ambiental, más centros de datos están empezando a incorporar fuentes de energía ecológicas, como la solar y la eólica. Los sistemas de conversión de energía eficientes pueden integrar mejor estas energías renovables, mejorando la eficiencia energética general y reduciendo la huella de carbono.
Durante el proceso de conversión de energía, las pérdidas de energía son un fenómeno inevitable. Estas pérdidas constituyen energía desperdiciada, generan costos y producen calor que requiere espacio y gastos adicionales para ser gestionado. Al operar centros de datos de inteligencia artificial a hiperescala, que pueden requerir 120 kW de potencia por rack, la eficiencia de convertir la energía de la red al voltaje de la GPU es de aproximadamente el 88%, lo que resulta en 15 kW de calor desperdiciado que debe ser gestionado mediante refrigeración líquida.
La eficiencia y la densidad de potencia (que van de la mano) son términos clave en el diseño de energía para servidores. La energía de la red principal debe convertirse en potencia útil con pérdidas mínimas. Para lograr esto, las topologías están evolucionando continuamente, con tecnologías como la rectificación síncrona en desarrollo, y los MOSFET reemplazando los diodos con pérdidas en los rectificadores.
Mejorar la topología es solo la mitad de la batalla para el éxito; para optimizar la eficiencia, todos los componentes deben ser tan eficientes como sea posible, especialmente los MOSFETs que son críticos para el proceso de conversión. Los MOSFETs no son dispositivos sin pérdidas; generan pérdidas durante la conducción y el conmutación. A medida que las fuentes de alimentación de los servidores pasan a operar a frecuencias más altas para reducir el tamaño, las pérdidas por conmutación se convierten en un foco clave para la mejora.
MOSFETs PowerTrench® eficientes de onsemi
Los MOSFETs de silicio controlan la corriente entre las terminales de fuente y drenaje a través del voltaje de la puerta. Debido a su eficiencia, velocidad y capacidades de manejo de potencia, son ampliamente utilizados en amplificadores de potencia, reguladores de voltaje y circuitos de conmutación. Los T10 PowerTrench® MOSFETs de voltaje bajo a medio de onsemi reducen las pérdidas de conmutación y conducción mediante la más reciente tecnología de trinchera con puerta apantallada, resultando en un Qg significativamente más bajo y una RDS(ON) inferior a 1mΩ. El diodo de cuerpo con recuperación suave líder en la industria reduce el timbre, el sobreimpulso y el ruido, así como las pérdidas Qrr, equilibrando el rendimiento y la recuperación en aplicaciones de conmutación rápida. En comparación con dispositivos anteriores, estos nuevos MOSFETs pueden reducir las pérdidas de conmutación hasta un 50% y las pérdidas de conducción en más del 30%.
Los nuevos dispositivos T10 PowerTrench de 40V y 80V de onsemi ofrecen la mejor RDS(ON) de su clase. El NTMFWS1D5N08X (80V, 1.43mΩ, paquete SO8-FL de 5mm x 6mm) y el NTTFSSCH1D3N04XL (40V, 1.3mΩ, paquete dual-cool source-down de 3.3mm x 3.3mm) cuentan con una figura de mérito (FOM) líder en su categoría, lo que los hace ideales para unidades de suministro de energía (PSU) y convertidores de bus intermedio (IBC) en aplicaciones de centros de datos de inteligencia artificial (IA). Los MOSFETs T10 PowerTrench cumplen con la estricta especificación de eficiencia Open Rack V3, que exige eficiencias del 97.5% o superiores.
MOSFETs de baja/media tensión con mejor rendimiento
Los MOSFETs de baja/media tensión introducidos por onsemi, específicamente el NTMFWS1D5N08X, son MOSFETs de potencia, individuales y de canal N, con una puerta STD, utilizando el paquete SO8FL-HEFET. Soportan 80V, 1.43mΩ y 253A. Este MOSFET T10 de 80V es uno de los productos líderes en su clase en el mercado de 80V, lo que lo convierte en una solución óptima para energía en la nube, telecomunicaciones 5G, otras aplicaciones de PSU, DC/DC y aplicaciones industriales. Ofrece un mejor rendimiento y mejora la eficiencia del sistema y la densidad de potencia alta, aunque tiene características de menor rendimiento.
El NTMFWS1D5N08X presenta mejoras en FOM, Rsp y densidad de potencia, mejorando el rendimiento y reduciendo costos. Su menor Rsp, bajo Qg/Qgd y menor Qgd/Qgs pueden aumentar la eficiencia general al minimizar las pérdidas del controlador. El bajo RDS(ON) minimiza las pérdidas por conducción, mientras que los valores más bajos de Qoss y Qrr mejoran las pérdidas por conmutación. Un diodo de recuperación más suave y un Qrr más bajo reducen el ruido, el sobreimpulso y reverberación, proporcionando robustez y una excelente conmutación inductiva no regulada (UIS) para mejorar la resistencia al avalancha en aplicaciones de conmutación rápida. Estos dispositivos son libres de Pb, libres de halógeno/BFR y cumplen con las normativas RoHS.
El NTMFWS1D5N08X es adecuado para rectificación sincrónica (SR) de CC-CC y CA-CC, así como para interruptores primarios en convertidores aislados de CC-CC y controladores de motores. Los productos finales comunes incluyen alimentación para telecomunicaciones, alimentación en la nube, alimentación para servidores, centros de datos, controladores de motores, energía solar y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS).
Otro MOSFET de baja/media tensión de onsemi es el NTTFS2D1N04HL, un MOSFET de puerta protegida PowerTrench® de canal N que soporta 40V, 150A y 2.1mΩ. Este MOSFET de canal N de media tensión está producido utilizando la avanzada tecnología PowerTrench®, que incorpora tecnología de puerta protegida. Este proceso está optimizado para minimizar la resistencia en estado de conducción mientras mantiene un excelente rendimiento de conmutación.
El NTTFS2D1N04HL, que utiliza tecnología MOSFET con puerta blindada, tiene una RDS(on) máxima de 2.1mΩ con VGS = 10V e ID = 23A, y de 3.3mΩ con VGS = 4.5V e ID = 18A, lo que reduce el ruido de conmutación y EMI. Cuenta con un diseño de paquete robusto que cumple con MSL1, ha sido probado al 100% por UIL y es compatible con RoHS. El NTTFS2D1N04HL es versátil y adecuado para muchas aplicaciones diferentes, con productos finales comunes que incluyen fuentes de alimentación DC-DC y convertidores síncronos de voltaje medio tipo buck.
Conclusión
En la era actual de rápida evolución de la inteligencia artificial, mejorar la eficiencia en la conversión de energía es crucial. La tecnología de conversión de energía de alta eficiencia no solo puede satisfacer las demandas de las aplicaciones de IA para la computación de alto rendimiento y el procesamiento extensivo de datos, sino también reducir significativamente el consumo energético y los costos operativos, logrando así objetivos más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Al innovar continuamente y adoptar soluciones avanzadas de gestión de energía, podemos encontrar un equilibrio entre rendimiento y eficiencia, asegurando el desarrollo sostenido y el máximo beneficio de la tecnología de IA en diversos campos. Por lo tanto, invertir en la mejora de la eficiencia de conversión de energía no es solo una necesidad para el avance tecnológico, sino también una parte esencial para impulsar la revolución de la IA.
La serie de productos PowerTrench® MOSFET de baja a media tensión lanzada por onsemi, con su excelente rendimiento, puede aplicarse a centros de datos para aplicaciones de IA, proporcionando una eficiencia de conversión de energía sobresaliente y convirtiéndose en una de las opciones ideales para aplicaciones relacionadas.
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