สถาปัตยกรรมพลังงานศูนย์ข้อมูล HVDC AI 800V: GaN, SiC, SST และการจัดส่งพลังงานแบบกริดถึงชิป

โครงสร้างพื้นฐาน AI ไม่ถูกจำกัดโดยความพร้อมใช้งานของโปรเซสเซอร์อีกต่อไป เนื่องจากกำลังของ GPU เพิ่มขึ้นจากหลายร้อยวัตต์ต่ออุปกรณ์และกำลังของแร็คเกิน 100 กิโลวัตต์ ระบบไฟฟ้าที่อยู่เบื้องหลังฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์จึงกลายเป็นข้อจำกัดทางวิศวกรรมที่สำคัญ

ความท้าทายไม่ได้อยู่ที่เพียงการผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเท่านั้น พลังงานจะต้องได้รับการแปลง ป้องกัน กระจาย แปลง และควบคุมระดับแรงดันไฟฟ้าหลายระดับก่อนที่จะถึงแกน GPU ที่ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมากและกระแสที่สูงมาก ทุกขั้นตอนจะทำให้เกิดการสูญเสีย โหลดความร้อน ปริมาณอุปกรณ์ ข้อกำหนดในการป้องกัน และข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือที่อาจเกิดขึ้น

นี่เป็นการผลักดันให้เกิดการพิจารณาใหม่ที่กว้างขึ้นสถาปัตยกรรมพลังงานศูนย์ข้อมูล AI. การกระจายไฟ AC แบบเดิม, แร็คบัส 48V, ชั้นวางไฟฟ้า และการจ่ายไฟระดับบอร์ดได้รับการประเมินควบคู่ไปกับหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง 800V, หม้อแปลงโซลิดสเตต, เซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง และการจ่ายไฟในแนวตั้ง

ผลลัพธ์ไม่น่าที่จะเป็นสถาปัตยกรรมทดแทนสากลเดียว แนวทางที่แตกต่างกันอาจอยู่ร่วมกันตามขนาดของสิ่งอำนวยความสะดวก ความหนาแน่นของแร็ค ระยะเวลาการใช้งาน ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย และความเข้ากันได้กับโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่

เหตุใดสถาปัตยกรรมพลังงานของศูนย์ข้อมูล AI จึงมีการเปลี่ยนแปลง

การเติบโตของพลัง GPU และชั้นวาง AI 100 kW

เซิร์ฟเวอร์ AI รวม GPU หรือตัวเร่งความเร็วอื่นๆ เข้ากับหน่วยความจำแบนด์วิธสูง อุปกรณ์เครือข่าย อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล และฮาร์ดแวร์ระบายความร้อน ตัวเร่งความเร็วเพียงตัวเดียวสามารถใช้พลังงานได้หลายร้อยวัตต์ ในขณะที่โหลดรวมของชั้นวาง AI อาจเกิน 100 กิโลวัตต์

เมื่อกำลังของแร็คเพิ่มขึ้น การกระจายพลังงานผ่านบัสแรงดันต่ำจะยากขึ้น สำหรับระดับพลังงานที่กำหนด กระแสจะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง:

ป=วี×ฉัน

โหลดขนาด 100 kW ที่จ่ายผ่านบัสคลาส 50V ต้องใช้กระแสไฟฟ้าประมาณยี่สิบเท่าของโหลดเดียวกันที่จ่ายที่ 1,000V ระบบที่แท้จริงประกอบด้วยการสูญเสียการแปลง พิกัดความเผื่อแรงดันไฟฟ้า และสภาวะการทำงานแบบไดนามิก แต่ความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดบัสบาร์ สายเคเบิล ขั้วต่อ และอุปกรณ์ป้องกันจึงขยายขนาดได้ยากที่กระแสไฟฟ้าที่สูงมาก

การสูญเสียความต้านทานยังเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของกระแส:

ปการสูญเสีย​=ฉัน²ร

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในการกระจายไม่ได้สร้างระบบไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพโดยอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม จะช่วยลดกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการถ่ายโอนพลังงานตามจำนวนที่กำหนด สิ่งนี้ทำให้สถาปัตยกรรมแรงดันไฟฟ้ากลายเป็นตัวแปรการออกแบบที่สำคัญมากขึ้น เนื่องจากกำลังของชั้นวางเติบโตเร็วกว่าขนาดตัวนำ พื้นที่อุปกรณ์ และความสามารถในการทำความเย็น

จากระบบไฟฟ้าระดับแร็คไปจนถึงสิ่งอำนวยความสะดวกระดับ GW

ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของชั้นวางและความจุรวมของอาคารมีความเกี่ยวข้องกัน แต่ปัญหาทางวิศวกรรมจะแยกจากกัน

ชั้นวางที่มีความหนาแน่นสูงจะสร้างแรงกดดันต่อบัสบาร์ ตัวเชื่อมต่อ คอนเวอร์เตอร์ ระบบทำความเย็น และประสิทธิภาพการตอบสนองชั่วคราว สิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่ยังต้องจัดการการเชื่อมต่อโครงข่ายสาธารณูปโภค หม้อแปลง สวิตช์เกียร์ พลังงานสำรอง ความซ้ำซ้อนในการกระจาย และการสูญเสียสะสมของโหนดประมวลผลนับพันรายการ

สิ่งอำนวยความสะดวกด้าน AI ในอนาคตอาจมุ่งไปสู่ความต้องการไฟฟ้าในระดับกิกะวัตต์ แต่สิ่งนี้ยังคงเป็นการพัฒนาในทิศทางเดียวแทนที่จะเป็นเงื่อนไขสากล ไม่ใช่ทุกศูนย์ข้อมูลจะต้องมีความจุของสิ่งอำนวยความสะดวกเท่ากัน และไม่ใช่ทุกไซต์พลังงานสูงที่จะใช้สถาปัตยกรรมไฟฟ้าแบบเดียวกัน

การออกแบบกำลังไฟฟ้าจึงต้องพิจารณาในหลายระดับ:

• ข้อมูลสาธารณูปโภคและสิ่งอำนวยความสะดวก

• ห้องข้อมูลหรือการกระจายแถว

• การแปลงระดับแร็ค

• จำหน่ายเซิร์ฟเวอร์และบอร์ด

• การควบคุมระดับแพ็คเกจ

• การส่งมอบโปรเซสเซอร์คอร์ขั้นสุดท้าย

เหตุใดการส่งพลังงานจึงกลายเป็นข้อจำกัดระดับระบบ

การเพิ่มความหนาแน่นในการประมวลผลส่งผลกระทบมากกว่าระดับของแหล่งจ่ายไฟของเซิร์ฟเวอร์

โดยจะเปลี่ยนกระแสของตัวนำ อัตราการแปลง การประสานงานในการป้องกัน ข้อกำหนดในการทำความเย็น การวางพลังงานสำรอง โครงร่างชั้นวาง ขั้นตอนการบำรุงรักษา และพื้นที่ทางกายภาพที่พร้อมใช้งานสำหรับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงไม่สามารถชดเชยห่วงโซ่พลังงานโดยรวมที่ไม่มีประสิทธิภาพได้ การลบขั้นตอนการแปลงหนึ่งขั้นตอนอาจสร้างข้อกำหนดใหม่สำหรับการแยก การแปลง DC/DC อัตราส่วนสูง การหยุดชะงักของข้อผิดพลาด หรือคุณสมบัติส่วนประกอบที่อื่นในระบบ

ดังนั้นพลังงานของศูนย์ข้อมูล AI จึงต้องได้รับการประเมินจากกริดไปยังชิป แทนที่จะประเมินโดยตัวแปลงต่อตัวแปลง

800V HVDC ในศูนย์ข้อมูล AI คืออะไร

800V HVDC ในศูนย์ข้อมูล AI เป็นชั้นการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงที่ถ่ายโอนพลังงานจากอุปกรณ์แปลงสิ่งอำนวยความสะดวกอัปสตรีมไปยังแร็คดาวน์สตรีมหรือตัวแปลงเซิร์ฟเวอร์ โดยจะช่วยลดกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการกระจายพลังงานสูง แต่ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้าสุดท้ายที่จ่ายให้กับ GPU หน่วยความจำ หรือแกนประมวลผลโดยตรง

ตำแหน่งของ 800V HVDC ในห่วงโซ่พลังงานแบบกริดถึงชิป

บัส 800V DC ตั้งอยู่ระหว่างระบบแปลงด้านสิ่งอำนวยความสะดวกและโหลดการประมวลผลแรงดันต่ำ หน้าที่ของมันคือการส่งกำลังจำนวนมากผ่านห้องข้อมูล แถวอุปกรณ์ รถเทียมข้างรถจักรยานยนต์ หรือแร็ค โดยไม่ต้องใช้กระแสไฟฟ้าสุดขีดที่เกี่ยวข้องกับการกระจายระดับ 48V ที่ระดับพลังงานเดียวกัน

สถาปัตยกรรมอ้างอิงทางอุตสาหกรรมที่เกิดขึ้นใหม่แสดงการใช้งานที่เป็นไปได้หลายประการ

เส้นทางเดียวแปลง AC เป็น 800V DC จากส่วนกลาง และกระจายแหล่งจ่ายไฟ DC ไฟฟ้าแรงสูงไปยังแร็คคอมพิวเตอร์ อีกเครื่องหนึ่งใช้รถเทียมข้างรถจักรยานยนต์ใกล้กับชั้นวางหนึ่งชั้นวางขึ้นไปเพื่อแปลงแหล่งจ่ายไฟ AC ของสถานที่ที่มีอยู่ให้เป็น 800V DC สถาปัตยกรรมรุ่นหลังอาจรวมอินพุตแรงดันไฟฟ้าปานกลาง การแยก และเอาต์พุต DC แรงดันสูงผ่านหม้อแปลงโซลิดสเตต

สิ่งเหล่านี้เป็นทางเลือกหรือการจัดการเฉพาะกาล ไม่ใช่โทโพโลยีบังคับเพียงอย่างเดียว

จำเป็นต้องมีการแปลงดาวน์สตรีม อินพุต 800V อาจถูกแปลงเป็น 48V หรือแรงดันไฟฟ้าระดับกลางอื่น ลดระดับลงผ่านตัวแปลงอัตราส่วนสูง หรือประมวลผลผ่านหลายขั้นตอนก่อนที่จะถึงตัวควบคุมระดับบอร์ดและแพ็คเกจ

การเปลี่ยนแปลง 800V HVDC อะไรบ้าง—และสิ่งใดที่ไม่เปลี่ยนแปลง

ผลกระทบทางไฟฟ้าหลักของการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในการกระจายคือการลดกระแสสำหรับกำลังที่ถ่ายโอนเท่ากัน สิ่งนี้สามารถลดภาระในปัจจุบันของสายเคเบิล บัสบาร์ ตัวเชื่อมต่อ และอุปกรณ์กระจายสินค้า

อย่างไรก็ตาม 800V HVDC ไม่ได้ขจัดความจำเป็นสำหรับ:

• การแยกกัลวานิกตามความจำเป็น

• การแปลงพลังงานระดับแร็คหรือถาด

• การควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์

• บูรณาการพลังงานสำรอง

• การควบคุมการไหลเข้าและการแลกเปลี่ยนความร้อน

• การตรวจจับข้อผิดพลาดและการหยุดชะงัก

• การจัดการความร้อน

• การวางแผนความซ้ำซ้อนและการบำรุงรักษา

ไม่ได้หมายความว่า 800V จะถูกส่งไปยังคันเร่งโดยตรง แกนโปรเซสเซอร์ต้องการพลังงานไฟฟ้าแรงต่ำและกระแสสูงที่มีการควบคุมอย่างแน่นหนาใกล้กับโหลด

จากระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับแบบดั้งเดิมไปจนถึงไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง

การกระจายพลังงาน AC แบบดั้งเดิมเทียบกับ 800V HVDC

เส้นทางพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับเป็นโหลดแบบธรรมดา

ศูนย์ข้อมูลทั่วไปมักจะกระจาย AC ผ่านสถานที่ก่อนที่จะแปลงเป็น DC ใกล้หรือภายในชั้นวาง จากนั้นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นผลลัพธ์อาจผ่านแร็คบัสคลาส 48V, คอนเวอร์เตอร์ระดับกลางระดับบอร์ด และตัวควบคุมจุดโหลด

สถาปัตยกรรมนี้มีความสมบูรณ์และใช้งานได้กับสวิตช์เกียร์ ระบบ UPS อุปกรณ์จ่ายไฟ ขั้นตอนการทำงาน และแนวปฏิบัติด้านการบริการที่เป็นที่ยอมรับ ข้อจำกัดจะมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อกำลังไฟของแร็คเพิ่มขึ้น และต้องจัดการกระแสไฟที่มากขึ้นภายในแร็ค

สถาปัตยกรรมที่เน้น HVDC 800V จะย้ายส่วนหนึ่งของการแปลง AC/DC อัปสตรีมหรือภายนอกแร็คคอมพิวเตอร์ จากนั้น DC ไฟฟ้าแรงสูงจะถูกกระจายใกล้กับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์มากขึ้น ก่อนที่จะมีการแปลงสเต็ปดาวน์ที่จำเป็นเกิดขึ้น

ผลกระทบทางสถาปัตยกรรมที่อาจเกิดขึ้นจากการกระจายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง

การเปลี่ยนไปใช้แรงดันไฟฟ้ากระจายกระแสตรงที่สูงขึ้นอาจทำให้มีพลังงานผ่านบริเวณตัวนำที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น นอกจากนี้ยังอาจลดปริมาณโครงสร้างพื้นฐานบัสบาร์กระแสสูงขนาดใหญ่ที่ต้องใช้รอบๆ แร็คที่มีความหนาแน่นสูง

การลบขั้นตอนการแปลงที่เลือกอาจช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ แต่ผลลัพธ์จะขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมที่สมบูรณ์ การประเมินที่เป็นประโยชน์ต้องประกอบด้วย:

• การแก้ไขสิ่งอำนวยความสะดวก

• ขั้นตอนการแยก

• จำหน่ายไฟฟ้าแรงสูง

• การแปลงแร็ค

• รถเมล์สายกลาง

• การควบคุมจุดโหลด

• กำลังเสริม

• พลังงานความเย็น

• การสูญเสียอุปกรณ์ป้องกัน

• เส้นทางการทำงานที่ซ้ำซ้อน

• การแปลงพลังงานสำรอง

การกล่าวอ้างเกี่ยวกับประสิทธิภาพ การลดการใช้ทองแดง การประหยัดความเย็น หรือต้นทุนทั้งหมดไม่สามารถสรุปได้ทั่วไปหากไม่มีขอบเขตของระบบ โปรไฟล์โหลด และสภาวะการทำงานที่สอดคล้องกัน

ความท้าทายในการป้องกัน DC ฉนวน และการจัดการข้อผิดพลาด

กระแสตรงแรงดันสูงต้องใช้อุปกรณ์ตัดวงจรและแผนการป้องกันที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาวะข้อบกพร่องของกระแสตรง หน้าที่ของฉนวน และพลังงานอาร์คที่ยั่งยืน

ดังนั้นระบบ 800V จึงจำเป็นต้องมีการป้องกันที่มีการประสานงานข้ามขอบเขตที่หลากหลาย สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงห้องจ่ายไฟ แผงกระจายสินค้า รถเทียมข้างรถจักรยานยนต์ อินพุตแร็ค ถาดคำนวณ และอินพุตคอนเวอร์เตอร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรม

ฟังก์ชั่นการป้องกันอาจเกี่ยวข้องกับ:

• ฟิวส์พิกัดกระแสตรง

• ตัดการเชื่อมต่ออุปกรณ์

• เบรกเกอร์วงจร

• การป้องกันโซลิดสเตต

• วงจรชาร์จล่วงหน้า

• การควบคุมการไหลเข้า

• การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า

• การตรวจสอบการแยกตัว

• การควบคุมแบบ Hot-swap

ข้อมูลอ้างอิงทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องได้แก่IEC 62477-1เพื่อความปลอดภัยของระบบแปลงไฟฟ้ากำลังและIEC 60947-2สำหรับเบรกเกอร์วงจรบริการรับรองเซอร์กิตเบรกเกอร์ของ UL Solutionsยังรวมถึงหมวดหมู่ที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี DC ไฟฟ้าแรงสูงและโซลิดสเตตเบรกเกอร์

การอ้างอิงเหล่านี้ต้องใช้ตามหมวดหมู่อุปกรณ์ ขอบเขตการติดตั้ง เขตอำนาจศาล และการออกแบบระบบขั้นสุดท้าย สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่รายการตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่สมบูรณ์สำหรับศูนย์ข้อมูล 800V ทุกแห่ง

หม้อแปลงโซลิดสเตตเหมาะสมกับสถาปัตยกรรมอย่างไร

บทบาทหน้าที่ของ SST

กหม้อแปลงโซลิดสเตตหรือ SST รวมฟังก์ชันของหม้อแปลงเข้ากับการแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีการควบคุมอย่างแข็งขัน

หนึ่งการทบทวน IEEE เกี่ยวกับเทคโนโลยีหม้อแปลงโซลิดสเตตอธิบาย SST ว่าเป็นระบบที่รวมฟังก์ชันหม้อแปลงเข้ากับตัวแปลงไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์และวงจรควบคุม SST อาจให้การแปลงแรงดันไฟฟ้า การแยกกระแสไฟฟ้า การแปลง AC/DC การตรวจสอบ และการไหลของพลังงานที่ควบคุม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโทโพโลยี

ในศูนย์ข้อมูล AI นั้น SST สามารถเชื่อมต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันปานกลางเข้ากับบัสกระจายกระแสตรงแรงดันสูง ซึ่งอาจรวมขั้นตอนทั่วไปหลายขั้นตอนไว้ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบแยกส่วน

SST ไม่ใช่วิธีเดียวที่จะสร้างบัส 800V DC อาจใช้หม้อแปลงและวงจรเรียงกระแสทั่วไป ระบบการแปลงแบบรวมศูนย์ และตัวแปลงที่ใช้รถเทียมข้างรถจักรยานยนต์

สถาปัตยกรรมที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับ:

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้า

• ข้อกำหนดการแยก

• ระดับพลังงาน

• โมเดลความซ้ำซ้อน

• เค้าโครงสิ่งอำนวยความสะดวก

• กลยุทธ์การป้องกัน

• แนวทางการบำรุงรักษา

สถาปัตยกรรม ISOP: อินพุต-ซีรีส์, เอาท์พุต-ขนาน

ไอเอสโอหมายถึง อินพุต-อนุกรม, เอาท์พุต-ขนาน

ในการกำหนดค่านี้ อินพุตของโมดูลตัวแปลงจะเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม เพื่อให้โมดูลใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงร่วมกัน เอาต์พุตเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้รวมกันเพื่อจ่ายกระแสเอาต์พุตที่มากขึ้น

การวิจัย IEEE เกี่ยวกับการควบคุมตัวแปลง ISOPระบุข้อกำหนดหลักสองประการ:

• การแบ่งปันแรงดันไฟฟ้าอินพุตระหว่างโมดูลที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

• การแชร์กระแสเอาต์พุตระหว่างโมดูลที่เชื่อมต่อแบบขนาน

คุณลักษณะของส่วนประกอบที่ไม่เท่ากัน สภาพความร้อน ความล่าช้าในการสลับ และสภาวะโหลด สามารถรบกวนความสัมพันธ์ในการใช้ร่วมกันเหล่านี้ได้ ระบบควบคุมจะต้องป้องกันไม่ให้โมดูลหนึ่งส่งแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้ามากเกินไป

แผนภาพ ISOP หกโมดูลแสดงถึงการกำหนดค่าที่เป็นไปได้เดียว ไม่ใช่ข้อกำหนด SST สากล จำนวนโมดูลขึ้นอยู่กับพิกัดแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าอินพุตของระบบ อัตราส่วนการแปลง การออกแบบฉนวน กำลังไฟทั้งหมด ระบบสำรอง และโทโพโลยีของคอนเวอร์เตอร์

สถาปัตยกรรมโมดูลาร์ SST และ ISOP

การแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรม SST

SST สามารถรองรับการแปลงแบบโมดูลาร์ การควบคุมแบบแอ็คทีฟ การแยกความถี่สูง และการบูรณาการโดยตรงกับบัสกระจาย DC ข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้เหล่านี้ต้องสมดุลกับความซับซ้อนเพิ่มเติม

หม้อแปลงความถี่สายแบบทั่วไปยังคงความสมบูรณ์ ทนทาน และค่อนข้างเรียบง่าย ดังนั้น SST จึงควรได้รับการประเมินว่าเป็นตัวเลือกระดับระบบ แทนที่จะเป็นการแทนที่ที่เหนือกว่าโดยอัตโนมัติ

บทบาท GaN และ SiC ในการแปลงพลังงานของศูนย์ข้อมูล AI

เหตุใดอุปกรณ์ Wide-Bandgap จึงมีความสำคัญ

แกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างที่ใช้ในการแปลงพลังงานประสิทธิภาพสูง

ความเหมาะสมขึ้นอยู่กับ:

• ความเครียดแรงดันไฟฟ้า

• ระดับพลังงาน

• การสลับโทโพโลยี

• การสลับความถี่

• สภาพความร้อน

• บรรจุภัณฑ์

• การป้องกัน

• วิธีการควบคุม

• ต้นทุนระบบ

GaN และ SiC ได้รับการปฏิบัติอย่างดีที่สุดในฐานะเทคโนโลยีเสริม มูลค่าของมันขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่วางไว้ในโซ่ส่งกำลังและวิธีการออกแบบตัวแปลงโดยรอบ

โดยที่ GaN อาจพอดีกับ Power Chain

GaN มักถูกพิจารณาโดยให้ความสำคัญกับความถี่ในการสวิตชิ่งสูง ขั้นตอนการแปลงแบบกะทัดรัด และความหนาแน่นของพลังงานสูง

• แหล่งจ่ายไฟของเซิร์ฟเวอร์

• ตัวแปลงบัสระดับกลาง

• ขั้นตอนจุดโหลด

• ตัวแปลง DC/DC อัตราส่วนสูงที่เลือก

ความเหมาะสมในทางปฏิบัติขึ้นอยู่กับระยะขอบของแรงดันไฟฟ้า การออกแบบบรรจุภัณฑ์ เส้นทางความร้อน โทโพโลยีของคอนเวอร์เตอร์ สภาวะชั่วคราว และกลยุทธ์ในการป้องกัน

การใช้งานที่แข็งแกร่งที่สุดไม่สามารถกำหนดได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าสากลหรือขีดจำกัดพลังงานเดียว อุปกรณ์ GaN อาจมีประสิทธิภาพสูงในโทโพโลยีหนึ่งและมีความเหมาะสมน้อยกว่าในอีกโทโพโลยีที่มีข้อกำหนดการแยก การระบายความร้อน หรือข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน

โดยที่ SiC อาจพอดีกับ Power Chain

SiC มักถูกพิจารณาสำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าหรือกำลังสูงกว่า ซึ่งรวมถึง:

• การแก้ไขส่วนหน้า

• การแปลงไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง

• หน่วยการสร้าง SST

• ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังหันหน้าเข้าหาสิ่งอำนวยความสะดวก

• ตัวแปลงไฟฟ้าแรงสูงแบบหันหน้าไปทางชั้นวาง

ความสามารถด้านแรงดันไฟฟ้าและคุณลักษณะทางความร้อนสามารถรองรับขั้นตอนการแปลงที่ต้องการได้ แต่ความสามารถของอุปกรณ์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถกำหนดประสิทธิภาพของระบบได้ การควบคุมเกต การระบายความร้อน การออกแบบแม่เหล็ก พลังงานข้อบกพร่อง โทโพโลยีคอนเวอร์เตอร์ และต้นทุนยังคงมีความสำคัญ

สถาปัตยกรรมไฮบริดอาจใช้ซิลิคอน, SiC และ GaN ในขั้นตอนที่แตกต่างกันตามการทำงานของตัวแปลงแต่ละตัว

GaN กับ SiC: ขอบเขตการเลือก

บทบาท GaN และ SiC ใน Power Chain ของศูนย์ข้อมูล AI

บทบาทของบัสระดับกลาง 48V

เหตุใดจึงมี 48V ระหว่างการกระจายไฟฟ้าแรงสูงและชิป

บัสระดับกลาง 48V ให้การเชื่อมต่อที่ใช้งานได้จริงระหว่างการกระจายระดับแร็คกับบอร์ดแรงดันไฟฟ้าต่ำหรือตัวควบคุมโปรเซสเซอร์

ที่ข้อมูลจำเพาะ Open Rack V3 ของ Open Compute Projectรวมถึงระบบจ่ายไฟแบบแร็ค 48V นี่เป็นตัวอย่างที่กำหนดไว้ของการจ่ายพลังงาน 48V ระดับแร็คและการแปลงเซิร์ฟเวอร์ดาวน์สตรีม

ในสถาปัตยกรรม 800V เส้นทางหนึ่งที่เป็นไปได้คือ:

800วีดีค→48วีดีค→การแปลงระดับกลางหรือจุดโหลด

วิธีการนี้สามารถรักษาส่วนประกอบดาวน์สตรีมที่มีอยู่และโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานระดับแร็คในขณะที่เปลี่ยนเลเยอร์การกระจายอัปสตรีม

800V HVDC จะมาแทนที่บัส 48V หรือไม่

เส้นทางสถาปัตยกรรม 800V-to-Load

ไม่จำเป็น.

ระดับแรงดันไฟฟ้าทั้งสองระดับทำหน้าที่ต่างกัน บัส 800V ส่งกำลังสูงแต่กระแสไฟต่ำกว่า บัส 48V ให้ชั้นการกระจายแรงดันไฟฟ้าต่ำใกล้กับบอร์ดเซิร์ฟเวอร์และตัวควบคุมโปรเซสเซอร์

สถาปัตยกรรมบางตัวอาจรักษาระดับไฟไว้ที่ 48V เพื่อลดความเสี่ยงในการย้ายข้อมูลและนำส่วนประกอบที่สร้างไว้แล้วกลับมาใช้ใหม่ อื่นๆ อาจเลี่ยงผ่านตัวแปลง 800V อัตราส่วนสูง, แนะนำแรงดันไฟฟ้ากลางที่แตกต่างกัน หรือใช้เส้นทางแบบหลายขั้นตอนในตำแหน่งใกล้กับโปรเซสเซอร์มากขึ้น

ทางเลือกขึ้นอยู่กับ:

• ประสิทธิภาพการแปลง

• การตอบสนองชั่วคราว

• การแยกตัว

• การป้องกัน

• ความพร้อมใช้งานของส่วนประกอบ

• บริเวณกระดาน

• ระบายความร้อน

• ความสามารถในการให้บริการ

การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นที่เข้าใจได้ดีกว่าว่าเป็นการออกแบบชั้นแรงดันไฟฟ้าใหม่มากกว่าการแทนที่ 48V ด้วย 800V อย่างง่าย

การส่งพลังงานแนวตั้งและขั้นตอนสุดท้ายสู่ชิป

การจัดส่งพลังงานแนวตั้งหมายถึงอะไร

เอกสารทางเทคนิคของ Open Compute Projectและการวิจัยของ IEEE อธิบายการส่งพลังงานแนวตั้งหรือ VPD เป็นแนวทางระดับบอร์ดหรือแพ็คเกจที่วางตำแหน่งการแปลงพลังงานไว้ข้างใต้หรือสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับโหลดของโปรเซสเซอร์กระแสสูง

แทนที่จะเคลื่อนกระแสไฟที่สูงมากในแนวขวางไปตามเส้นทางเมนบอร์ดที่ยาว ตัวแปลงหรือตัวคูณกระแสจะถูกวางไว้ที่ด้านตรงข้ามของบอร์ดหรือใต้แพ็คเกจโปรเซสเซอร์ จากนั้นพลังงานจะเดินทางผ่านเส้นทางแนวตั้งที่สั้นกว่าโดยใช้การเชื่อมต่อจุดแวะและแพ็คเกจ

มีวัตถุประสงค์เพื่อลด:

• ความต้านทานการกระจายอำนาจ

• ความต้านทานของปรสิต

• แรงดันไฟฟ้าตก

• บอร์ดติดขัดใกล้กับโปรเซสเซอร์

VPD อาจใช้ตัวแปลงแบบแยก โมดูลแบบรวม บรรจุภัณฑ์ขั้นสูง ส่วนประกอบแบบพาสซีฟแบบรวม หรือการแปลงแบบหลายขั้นตอน

เป็นเทคโนโลยีบอร์ดดาวน์สตรีมหรือระดับแพ็คเกจ ไม่ใช่ชื่ออื่นสำหรับการจ่ายไฟ 800V ระดับโรงงาน

VPD ไม่เหมือนกับการส่งพลังงานด้านหลังภายในชิป

การจ่ายพลังงานในแนวตั้งเทียบกับการจ่ายพลังงานจากด้านหลัง

VPD ระดับแพ็คเกจและเครือข่ายการส่งพลังงานด้านหลังเซมิคอนดักเตอร์มีเป้าหมายร่วมกันในการลดเส้นทางส่งพลังงาน แต่ทำงานในระดับทางกายภาพที่แตกต่างกัน

ในสถาปัตยกรรมที่ใช้พลังงานเซิร์ฟเวอร์ VPD มักจะหมายถึงการวางตำแหน่งฮาร์ดแวร์แปลงแรงดันไฟฟ้าใต้โปรเซสเซอร์หรือที่ด้านหลังของเมนบอร์ด

ในทางตรงกันข้ามคำอธิบายของ imec เกี่ยวกับการจ่ายพลังงานด้านหลังอธิบายถึงสถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบบออนไดซึ่งมีการย้ายเส้นทางพลังงานออกจากสแต็กเชื่อมต่อสัญญาณด้านหน้าและหันไปทางด้านหลังของซิลิคอน

แนวคิดหนึ่งเกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานระดับบอร์ดและแพ็คเกจ อีกประเด็นหนึ่งเกี่ยวข้องกับเครือข่ายพลังงานภายในของดายเซมิคอนดักเตอร์

การปฏิบัติต่อสิ่งเหล่านั้นอย่างเหมือนกันจะบดบังความแตกต่า