Migliorare l'efficienza della conversione di potenza per soddisfare le esigenze delle applicazioni AI

Sfide energetiche affrontate dai data center AI

L'elettricità è al centro della società moderna e delle operazioni economiche e, con la crescente domanda di veicoli elettrici e applicazioni di intelligenza artificiale, la sua importanza continuerà solo ad aumentare. La generazione di energia rappresenta attualmente la principale fonte di emissioni di anidride carbonica (CO2) a livello mondiale, ma può anche guidare la transizione verso emissioni nette zero attraverso la rapida espansione delle fonti di energia rinnovabile come l'energia solare e eolica. Garantire che i consumatori possano accedere all'elettricità in modo sicuro e conveniente, riducendo al contempo le emissioni globali di anidride carbonica, è una delle sfide fondamentali della transizione energetica.

Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), i data center hanno consumato circa il 2% di tutta l'elettricità nel 2022, ovvero approssimativamente 460 terawattora (TWh). Con l'aumento di applicazioni ad alto consumo energetico come le criptovalute e l'intelligenza artificiale/apprendimento automatico (AI/ML), si prevede che questo numero aumenterà rapidamente. Questo incremento nel consumo energetico è legato all'implementazione di unità di elaborazione grafica ad alte prestazioni (GPU) in queste tecnologie. L'IEA prevede che i data center consumeranno almeno 650 TWh entro il 2026, ma un consumo superiore ai 1.000 TWh non è fuori discussione.

Il tasso di crescita nel campo dell'intelligenza artificiale è davvero sorprendente. ChatGPT ha raggiunto 1 milione di utenti nei primi cinque giorni e 100 milioni di utenti nei primi due mesi, superando significativamente i tassi di crescita di TikTok e Instagram. L'addestramento di GPT-4, con i suoi 1,7 trilioni di parametri e l'utilizzo di 13 trilioni di token, richiede 25.000 GPU NVIDIA A100, con ogni server che consuma circa 6,5 kW. Secondo OpenAI, questo addestramento ha richiesto 100 giorni, consumato 50 GWh di energia e avuto un costo di 100 milioni di dollari.

I primi data center convertivano la tensione della rete elettrica a 12V in modo centrale e la trasportavano ai server, dove venivano completate le conversioni dei livelli logici (3.3/5V). Con l'aumento dei requisiti di potenza, questo metodo causava troppe perdite. La tensione del bus è stata aumentata a 48V, riducendo la corrente di 4 volte e le perdite di 16 volte.

Quando le tensioni dei processori sono scese al di sotto di 3,3V fino a livelli sotto il volt, sono stati necessari più binari di tensione a potenza relativamente elevata. Questo ha portato a un processo di conversione a due stadi, in cui un convertitore DC-DC (noto come convertitore di bus intermedio (IBC)) converte 48V in un bus locale da 12V prima di effettuare conversioni a tensioni inferiori.

Conversione efficiente di energia necessaria per i data center dell'IA

I requisiti di conversione di potenza dei data center AI sono particolarmente importanti a causa delle loro esigenze di calcolo ad alte prestazioni e dell'elaborazione estesa dei dati. I data center AI devono gestire grandi quantità di dati e compiti computazionali complessi, il che significa che richiedono sistemi di conversione di potenza ad alta efficienza e alta densità. Convertitori di potenza efficienti possono ridurre le perdite di energia, migliorando così le prestazioni e l'efficienza complessiva del sistema.

Il funzionamento dei data center richiede alimentazioni altamente stabili e affidabili. I convertitori di potenza devono fornire una tensione e una corrente stabili in diverse condizioni di carico per garantire il normale funzionamento dei server e di altri dispositivi. Inoltre, sistemi di conversione di potenza efficienti possono ridurre la generazione di calore, anche se una gestione termica efficace rimane essenziale. Progettazioni termiche ottimizzate aiutano a mantenere la temperatura del sistema entro un intervallo sicuro, prolungando così la durata delle apparecchiature e migliorando le prestazioni.

Con lo sviluppo rapido delle applicazioni AI, le richieste sui data center continuano a crescere. I sistemi di conversione dell'energia devono avere una buona scalabilità per adattarsi in modo flessibile alle esigenze di espansione futura. Soprattutto considerando il considerevole consumo energetico dei data center AI, la gestione dell'efficienza energetica è fondamentale per ridurre i costi operativi e l'impatto ambientale. Convertitori di energia efficienti possono ridurre significativamente il consumo energetico e migliorare l'efficienza nell'utilizzo dell'energia.

Per garantire l'elevata disponibilità dei data center, i sistemi di conversione dell'energia devono generalmente essere progettati con ridondanza per gestire i possibili guasti elettrici. I progetti ridondanti possono fornire energia di riserva, commutando rapidamente quando la fonte di energia primaria si interrompe, garantendo così un funzionamento continuo del sistema. Inoltre, con la crescente consapevolezza ambientale, sempre più data center stanno iniziando a integrare fonti di energia rinnovabile, come l'energia solare e eolica. I sistemi di conversione dell'energia efficienti possono integrare meglio queste energie rinnovabili, migliorando l'efficienza energetica complessiva e riducendo l'impronta di carbonio.

Durante il processo di conversione dell'energia, le perdite di potenza sono un fenomeno inevitabile. Queste perdite rappresentano energia sprecata, comportano costi e generano calore che richiede spazio e ulteriori spese per essere gestito. Quando si operano data center AI hyperscale, che possono richiedere 120 kW di potenza per rack, l'efficienza della conversione della potenza dalla rete elettrica alla tensione della GPU è circa dell'88%, risultando in 15 kW di calore di scarto che deve essere gestito attraverso il raffreddamento a liquido.

L'efficienza e la densità di potenza (che vanno di pari passo) sono termini chiave nella progettazione della potenza dei server. L'energia dalla rete principale deve essere convertita in potenza utile con perdite minime. Per raggiungere questo obiettivo, le topologie sono in continua evoluzione, con lo sviluppo di tecnologie come la rettificazione sincrona e la sostituzione dei diodi dissipativi nei rettificatori con MOSFET.

Migliorare la topologia è solo metà della battaglia per il successo; per ottimizzare l’efficienza, tutti i componenti devono essere il più efficienti possibile, in particolare i MOSFET che sono fondamentali nel processo di conversione. I MOSFET non sono dispositivi senza perdite; subiscono perdite durante la conduzione e la commutazione. Con il passaggio degli alimentatori per server a operazioni ad alta frequenza per ridurre le dimensioni, le perdite di commutazione diventano un aspetto cruciale su cui intervenire.

MOSFET PowerTrench® onsemi efficienti

I MOSFET al silicio controllano la corrente tra i terminali di source e drain attraverso la tensione del gate. Grazie alla loro efficienza, velocità e capacità di gestione della potenza, sono ampiamente utilizzati in amplificatori di potenza, regolatori di tensione e circuiti di commutazione. I MOSFET T10 PowerTrench® a bassa e media tensione di onsemi riducono le perdite di commutazione e di conduzione grazie alla più recente tecnologia di gate schermato a trincea, ottenendo una riduzione significativa di Qg e un R_DS(ON) inferiore a 1mΩ. Il diodo del corpo con recupero dolce leader nel settore riduce il ringing, il sovraimpulso e il rumore, oltre alle perdite di Qrr, bilanciando prestazioni e recupero nelle applicazioni di commutazione rapida. Rispetto ai dispositivi precedenti, questi nuovi MOSFET possono ridurre le perdite di commutazione fino al 50% e le perdite di conduzione oltre il 30%.

I nuovi dispositivi T10 PowerTrench di onsemi da 40V e 80V offrono il miglior R_DS(ON) della categoria. Il modello NTMFWS1D5N08X (80V, 1,43mΩ, pacchetto SO8-FL da 5mm x 6mm) e il modello NTTFSSCH1D3N04XL (40V, 1,3mΩ, pacchetto dual-cool source-down da 3,3mm x 3,3mm) presentano un migliore indice di merito (FOM) della categoria, rendendoli adatti per unità di alimentazione (PSU) e convertitori di bus intermedi (IBC) nelle applicazioni dei data center basati su AI. I MOSFET T10 PowerTrench rispettano le rigorose specifiche di efficienza Open Rack V3, che richiedono un'efficienza del 97,5% o superiore.

MOSFET a bassa/media tensione con prestazioni migliori

I MOSFET a bassa/media tensione introdotti da onsemi, in particolare il NTMFWS1D5N08X, sono MOSFET di potenza, singoli, N-channel con gate STD, che utilizzano il package SO8FL-HEFET. Supportano 80V, 1,43mΩ e 253A. Questo MOSFET T10 da 80V è tra i prodotti migliori della categoria nel mercato degli 80V, rendendolo una soluzione ottimale per alimentazione cloud, telecomunicazioni 5G, altre applicazioni PSU, DC/DC e applicazioni industriali. Offre prestazioni migliori, migliora l'efficienza del sistema e la densità di potenza elevata, sebbene presenti caratteristiche di prestazioni inferiori.

Il NTMFWS1D5N08X presenta miglioramenti in FOM, Rsp e densità di potenza, migliorando le prestazioni e riducendo i costi. Il suo Rsp più basso, Qg/Qgd ridotto e Qgd/Qgs inferiore possono aumentare l'efficienza complessiva riducendo le perdite del driver. Il basso R_DS(ON) minimizza le perdite di conduzione, mentre il Qoss e il Qrr inferiori migliorano le perdite di commutazione. Un diodo con recupero più morbido e un Qrr inferiore riducono il ringing, l'overshoot e il rumore, garantendo robustezza ed eccellente capacità di commutazione induttiva non attenuata (UIS) per migliorare la resistenza all'avalanca in applicazioni a commutazione rapida. Questi dispositivi sono privi di Pb, privi di alogeni/BFR e conformi alla normativa RoHS.

Il NTMFWS1D5N08X è adatto per la rettificazione sincrona (SR) DC-DC e AC-DC e per gli interruttori primari in convertitori DC-DC isolati e sistemi di azionamento motore. I prodotti finali comuni includono alimentazione per telecomunicazioni, alimentazione cloud, alimentazione server, data center, sistemi di azionamento motore, energia solare e gruppi di continuità (UPS).

Un altro MOSFET a bassa/media tensione di onsemi è il NTTFS2D1N04HL, un MOSFET PowerTrench® a canale N con gate schermato che supporta 40V, 150A e 2,1mΩ. Questo MOSFET a canale N e media tensione è prodotto utilizzando la tecnologia avanzata PowerTrench®, che incorpora la tecnologia a gate schermato. Questo processo è ottimizzato per ridurre al minimo la resistenza in stato di accensione, mantenendo al contempo eccellenti prestazioni di commutazione.

Il modello NTTFS2D1N04HL, che utilizza la tecnologia MOSFET con gate schermato, ha una R_DS(on) massima di 2,1mΩ con VGS = 10V e ID = 23A, e di 3,3mΩ con VGS = 4,5V e ID = 18A, riducendo così il rumore di commutazione e l'EMI. Presenta un design robusto del package che soddisfa MSL1, è testato al 100% secondo lo standard UIL ed è conforme alla normativa RoHS. Il NTTFS2D1N04HL è versatile ed è adatto a numerose applicazioni diverse, con prodotti finali comuni che includono alimentatori DC-DC e convertitori buck sincroni a media tensione.

Conclusione

Nell'era in rapida evoluzione dell'intelligenza artificiale, migliorare l'efficienza della conversione di potenza è fondamentale. La tecnologia di conversione di potenza ad alta efficienza non solo può soddisfare le esigenze delle applicazioni di AI per il calcolo ad alte prestazioni e l'elaborazione estensiva dei dati, ma anche ridurre significativamente il consumo energetico e i costi operativi, raggiungendo così obiettivi più sostenibili ed ecologici. Attraverso una continua innovazione e l'adozione di soluzioni avanzate di gestione dell'energia, possiamo trovare un equilibrio tra prestazioni ed efficienza, garantendo lo sviluppo sostenuto e il massimo beneficio della tecnologia AI in vari settori. Pertanto, investire nel miglioramento dell'efficienza della conversione di potenza non è solo una necessità di progresso tecnologico, ma anche una parte essenziale nel guidare la rivoluzione dell'intelligenza artificiale.

La serie di prodotti PowerTrench® MOSFET a bassa e media tensione lanciata da onsemi, con le sue eccellenti prestazioni, può essere applicata ai data center per applicazioni di intelligenza artificiale, offrendo un'eccezionale efficienza nella conversione di potenza e rendendola una delle scelte ideali per applicazioni correlate.