AIデータセンターを支える：電源の役割

「Hey Siri」と話しかけることから、写真内の顔を自動で整理する機能まで、一見シンプルに見えるこれらのAI機能は、舞台裏で数千のサーバーによる高速な計算処理に依存しています。これらのサーバーは一箇所に集中しています。それがデータセンターです。AIデータセンターを「スマート工場」と考えることができ、世界中からデータを継続的に処理しています。そしてこの工場を稼働させ続けるために最も必要とされるのは、安定して堅牢な電力供給です。

AIモデルはますます複雑化し、その計算能力は成長しており、それに伴って電力の需要も増加しています。単一のAIデータセンターの消費電力は、1つの地域全体の消費電力に匹敵することもあります。そのため、安定した、インテリジェントでエネルギー効率の良い電力システムが非常に重要になっています。

しかし、電力が利用可能であっても、それを直接使用することはできません。家庭用電化製品が高電圧の電気に直接接続できないのと同様に、サーバーも安全に動作するためには変換や電圧の調整が必要となります。ここで、電源ユニット（PSU）がトランスのような役割を果たし、電力網からの電力をサーバーに適した形に変換します。さらに、AIデータセンターでは突然の停電を許す余裕はありません。停電はデータ損失やシステム障害を引き起こす可能性があります。そのため、外部電力障害時においても継続的に運転を保証するために、無停電電源装置（UPS）やバックアップ電源が必要となります。

一方で、エネルギー効率も優先事項です。廃棄物を最小限に抑える必要があります。高効率な電力変換技術は、エネルギーの無駄や熱発生を削減することができ、それによって全体的な冷却効率を向上させます。AIデータセンターにとって、これはエネルギー節約と環境持続可能性の両方にとってのウィンウィンです。

さらに、電力は「スマート」になることができます。現代のデータセンターは「必要時の電力供給」だけではなく、電力状況のリアルタイム監視、単一ポイントストレスを軽減するための自動負荷分配調整、そして太陽光発電や蓄電池のような再生可能エネルギー源との統合によってグリーン電力供給を実現することを求めています。これらはすべて、インテリジェントな電力管理システム（PMS）によって可能になります。それは、AIセンター全体が力強く効率的に機能するために細心の注意を払う執事がいるようなものです。

AIは高速な計算を実行し、言語を理解し、画像を認識し、さらには未来を予測することさえ可能です。しかし、これらすべての背後には安定した電源供給の基盤があります。電力はAIデータセンターの「生命線」であり、エネルギーを供給するだけでなく、持続可能性、安全性、そして知能の責任も担っています。

AIの世界では、データは燃料であり、電力は生命線です。人工知能を高速で動作させ続けるためには、その背後にあるデータセンターに強力で安定した効率的な電源供給システムが必要です。この点において重要なのが、電力変換技術とスマートなインターコネクト技術です。

データセンターは、送電網から高電圧の交流電流（AC）を受け取りますが、サーバー、ストレージデバイス、ネットワーク機器は実際には低電圧の直流電流（DC）を必要とします。これは、私たちの電話の充電器がどのように機能するかに似ています - 高電圧の電力に直接差し込むことはできず、まず安全で使用可能な形に変換する必要があります。

AIデータセンターでは、電力変換の役割は、送電網からの電圧を各種デバイスで必要とされる電圧や形式に変換することを含みます。また、エネルギー損失と余分な熱発生を抑えるための変換効率の向上や、停電時にも途切れることのない電力を確保するために、バッテリーストレージシステムやUPSとの統合も含まれます。AIコンピューティングが拡大し、サーバーの密度が高まるにつれて、電力変換は単なる「電力を供給する」という役割から、「正確に電力を供給する」という役割へと進化しています。すべてのワットを安全かつインテリジェントに、正確に活用することが求められます。

一方で、従来の電力システムは一方向的であり、「電力を供給して終わり」といったものです。しかし、AIデータセンターはそれほど単純に運用することはできません。これらのサーバーは24時間体制で稼働し、電力需要が常に変動します。そのため、電力供給システムにはリアルタイムの感知および応答能力が求められます。スマートインターコネクトを通じて、電力システムは異なるゾーンでの電力消費を監視・報告し、局所的な過負荷や無駄を回避するため自動的に負荷を調整し、冷却、バッテリー蓄電、エネルギー管理プラットフォームなど他のシステムと連携してエンジニアリングチームが運用とエネルギー効率を最適化するための視覚データを提供します。

要するに、スマート相互接続は電源供給システムを「接続された」そして「インテリジェント」なものにします。それは単に電力を供給するだけでなく、データセンターのリズムに同期して調整し、予測することで、真にスマートなエネルギーインフラを可能にします。大規模な言語モデルのトレーニング、リアルタイム画像認識の実行、または膨大な量のグローバルデータの処理など、AIのすべてのタスクは信頼性の高い電源供給システムに依存しています。電力変換とスマート相互接続は、この電力を安定かつインテリジェントにするための2つの重要な技術です。次世代のAIデータセンターを構築することは、速度の競争だけでなく、エネルギー効率とスマートな運用の課題でもあります。電気から始めることで、AIをより速く、より安定し、より持続可能なものにすることが可能です。

Arrow Electronicsとそのパートナーは、AIデータセンターの運用をより安定させ、エネルギー効率を改善することに注力しています。彼らは多くの電源ソリューションを導入しました。以下では、AC-DC電力変換、DC-DC電力変換、AI処理ユニット用の電力変換、スマートインターコネクトを含む用途別ソリューションを紹介します。

AIデータセンターでは、電力グリッドから供給される電気は交流電流（AC）ですが、サーバーやコンピューティング機器は実際には直流電流（DC）を必要とします。ここで役立つのがAC-DC電力変換で、いわば「電力の橋渡し」として機能します。その機能には、高電圧のACを機器で使用可能な安全で安定したDCに変換すること、変換プロセスを効率的かつ低エネルギーで行い熱発生を抑制すること、そして多様な出力電圧要件に対応し、さまざまなサーバーアーキテクチャに柔軟に電力を供給することが含まれます。効率的なAC-DCソリューションにより、AIデータセンターは安定した電力供給とエネルギー効率の高い運用を実現し、全体的なエネルギーインフラの不可欠な基盤となります。

Arrow-ST-Bourns 5.5kW AIサーバー電源 — この電源はORV3規格に準拠しており、最大65W/In³の電力密度を持っています。出力電圧は48-54V（典型値：48-50V）の範囲で、入力電圧範囲は180V ACから305V ACです。97.5%のピーク効率を達成し、定格出力電力の1.5倍のサージ電力をサポートします。フィールドでのファームウェアアップグレード（ブートローダー使用）、ドロップ上でのアクティブな電流共有、ホット挿抜（ホットプラグ）に対応しています。整流器はPMBus（最大100kbps）およびModBus（最大115kbps）を介して通信でき、内部制御の可変速ファンを備えています。部品表（BOM）は主にSTコンポーネントを使用しています。

3.3kW 54V 双方向DC-DC — Infineonが導入したEVAL_3K3W_BIDI_PSFBは、600V CoolMOS™ CFD7およびXMC™を搭載した3300W 54V双方向フェーズシフトフルブリッジ（PSFB）評価基板です。このコンバーターは、降圧モードで最大98%、昇圧モードで最大97%の効率を実現します。EVAL_3K3W_BIDI_PSFB基板は、双方向の機能を備えたフェーズシフトフルブリッジ（PSFB）トポロジーモジュールを使用して実装された、通信レベルの出力を持つDC-DCステージです。基板はCoolMOS™ CFD7およびOptiMOS™ 5を使用し、完全なSMDソリューションとして設計されており、革新的な冷却コンセプトを採用しています。

onsemi AIサーバー電源 — onsemiの統合ソリューションは、電力スイッチングのための最先端のSi、SiC、GaN技術を含む補完製品を活用しています。また、ゲートドライバ、マルチフェーズコントローラー、48Vコントローラー、スマートパワーステージ (SPS) モジュール、スマートフューズ、負荷点 (PoL) 降圧コンバーターを統合して電力管理を行います。これにより、データセンター向けにカスタマイズされた包括的な電力ソリューション(3kWから25〜30kWの高電圧DC伝送範囲)を提供し、グリッドからGPUまでをカバーします。この製品ポートフォリオは、システム効率と電力密度を向上させ、システムの設置面積を削減します。

AIデータセンターでは、サーバーやさまざまなコンピューティングモジュールが多様な電圧要件を持っています。DC-DC電力変換の役割は、DC電力を異なるレベル間で変換し、より洗練された正確な電力制御を提供することです。DC-DC電力変換の主な機能には、メイン電源のDC電圧を異なるモジュールが必要とする電圧に変換すること、高性能コンポーネント（例えばCPU、GPU、メモリなど）に安定した電力を供給すること、変換効率を向上させて損失や発熱を抑えることが含まれます。DC-DCソリューションは「精密電源配電装置」のような役割を果たし、AIコンピューティングシステム内のすべてのコンポーネントが必要な量の電力を正確に得られるようにします。これは、高密度かつ高性能なコンピューティングを推進する上で重要な要素です。

48Vから12VへのDC 1600Wモジュール — Infineonによって導入されたこのREF_IBC_1600W_GANは、100V CoolGaN™パワートランジスタを搭載したスケーラブルな48Vから12Vへの調整型中間バスコンバータです。3mm x 5mmのPQFNパッケージで、典型的なRDS(on)が2.4 mΩであり、デュアルサイド冷却を提供するInfineonのCoolGaN™ 100V IGC033S10S1を採用しています。さらに、InfineonのEiceDRIVER™ 1EDN7136U（真の差動入力を備えた1.8mm x 1.8mmのGaN最適化ゲートドライバIC）および、ファームウェアと構成用GUIを備えた4mm x 4mmのデジタルパワーコントローラであるInfineonのXDPP1148-100Bコントローラを含みます。また、VishayのIHLP7575インダクタ（7mmの高さ）と組み合わせられており、簡単に評価できるオンボード3.3Vおよび5Vの内部電源も備えています。

AIデータセンターの基幹計算能力は、GPU、TPU、その他のAI処理ユニットから供給されています。これらのユニットは、高い電力だけでなく、極端な安定性と迅速な応答能力も要求します。これは、AIプロセッサ向けに特別に設計された電力変換ソリューションを必要とします。AI処理ユニットの電力変換の主な役割には、低電圧、高電流精度の電力を供給すること、AI計算の瞬間的な負荷変化に対応すること、高速スイッチングや低ノイズ設計を支援してプロセッサの安定した運用を確保すること、そして熱発生や冷却負荷を軽減するためにエネルギー効率を最適化することが含まれます。このような電力ソリューションは、AI処理ユニットが「全能力を円滑に発揮する」ための重要な支援要素であり、すべてのディープラーニングのトレーニングや推論タスクを迅速かつ安定して完了させることを保証します。

MPQ1500-12V125-L48シリーズ 1500W DC-DCコンバータ — MPQ1500-12V125-L48は、1.5kWの高効率デジタル制御型の絶縁型中間バスコンバータで、40-60Vdc（標準：54V）の入力を絶縁された半調整型12Vdc出力に変換します。過電流、過熱、過電圧からの完全な保護機能を備えています。業界標準のクォーターブリックを採用しており、オプションでPMBus™インターフェースを選択できます。このDC-DCコンバータは97.2%のピーク効率を誇り、500Vdcの入出力絶縁、3台以上の並列動作のサポート、リモートオン/オフ制御機能を備えています。また、RoHSに準拠しています。

AIデータセンターでは、スマートインターコネクトによって、電力システム全体が「電源供給」から「インテリジェント管理」へと向上します。その役割には、電源モジュール、センサー、管理プラットフォームを接続してリアルタイムの監視とデータフィードバックを可能にし、異常検知や負荷変化を支援して停電や過熱を防ぎ、エネルギー管理や冷却システムと連携して効率性と安定性を全体的に向上させることが含まれます。スマートインターコネクトを通じて、電源供給は可視化され、制御可能となり、さらにインテリジェントになります。これにより、AIコンピューティングにおいてより信頼性の高い基盤を提供します。

人工知能が未来へ急速に進化していく中、すべての計算指令は安定かつ効率的な電力供給に依存しています。電力変換から高度な相互接続、精密な電源供給からインテリジェントな監視まで、電力システムは単なるインフラではなく、AIデータセンターの信頼性のある運用を支える中核的原動力です。安定した電力は、AIの世界が継続的に進化するための心臓部です。将来、私たちはよりスマートでエネルギー効率の高い電力アーキテクチャによって、AIが飛躍する瞬間を明るく照らしていきます。