El auge de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizae automático (AM) ha generado una demanda de potencia sin precedentes. La próxima generación de centros de datos se enfrenta a importantes desafíos en materia de gestión energética, eficiencia y fiabilidad. Las soluciones energéticas tradicionales suelen tener dificultades para satisfacer estas demandas a nivel de componentes individuales y de gestión global de la infraestructura del centro de datos (DCIM). Los componentes de potencia avanzados y las soluciones de supervisión integradas ofrecen un enfoque global para afrontar estos desafíos.
Por ejemplo, la tecnología de capacitores híbridos proporciona un suministro de energía estable; las soluciones de resistencia en serie equivalente (ESR) ultrabaja ofrecen eficiencia en la conversión de energía de alta corriente; las resistencias de alta precisión permiten un control preciso de la energía; y la integración inalámbrica proporciona una gestión integral de la energía.
En este artículo se explora cómo estos elementos ayudan a crear sistemas de gestión de energía sólidos para los centros de datos impulsados por la IA. A continuación, se presentan las soluciones de Panasonic en las cuatro áreas y se demuestra su aplicación en entornos de centros de datos modernos.
Suministro eléctrico eficiente para centros de datos con tecnología de capacitores híbridos
Los centros de datos modernos requieren una gran conversión de energía. Es habitual que necesiten cientos de kilovoltios CA (kVAC) de la red. Esta tensión se reduce primero a decenas de kVAC para su distribución por el campus del centro de datos. A continuación, se convierte a cientos de VCA para su distribución a los racks de los equipos.
A nivel de rack, la alimentación de CA se convierte en corriente continua, normalmente 12 voltios CC (VCC), para satisfacer las necesidades de los equipos informáticos. Por último, dentro de cada equipo, la tensión se regula a niveles más bajos, a menudo entre 1.1 y 5 voltios, para alimentar los componentes individuales, como procesadores y módulos de memoria.
Cada paso de esta cadena introduce pérdidas que pueden afectar significativamente a la eficiencia global del centro de datos. Los diseñadores energéticos de centros de datos adoptan cada vez más semiconductores de banda ancha (WBG) como el nitruro de galio (GaN) para minimizar las pérdidas en las últimas etapas de conversión. En comparación con el silicio (Si) tradicional, los dispositivos WBG consiguen una eficiencia superior gracias a frecuencias de conmutación más altas y menores pérdidas de conducción.
Sin embargo, la tecnología de capacitores utilizada en estos convertidores presenta importantes desafíos de diseño. Los diseñadores de sistemas de alimentación han contado tradicionalmente con dos tecnologías de capacitores de eficacia probada: los capacitores electrolíticos de aluminio convencionales, que presentan una baja corriente de fuga, y los capacitores de polímero, que tienen unas características de ESR excepcionales. Los capacitores electrolíticos de aluminio híbridos de la serie EEH de Panasonic (figura 1) presentan una tercera opción que combina los puntos fuertes de ambos para minimizar las pérdidas debidas a la corriente de fuga y la ESR.
Figura 1: Los capacitores electrolíticos de aluminio híbridos de la serie EEH minimizan las pérdidas por corriente de fuga y ESR. (Fuente de la imagen: Panasonic)
Los capacitores híbridos tienen otras ventajas, como una mayor fiabilidad en los modos de fallo de circuito abierto y el mantenimiento de su capacitancia nominal a frecuencias mucho más altas que los diseños tradicionales. Mientras que los capacitores convencionales empiezan a perder eficacia a frecuencias de decenas de kilohercios (kHz), los capacitores híbridos mantienen su rendimiento a frecuencias cercanas a 1 megahercio (MHz). Esta mayor frecuencia de funcionamiento permite utilizar capacitores más pequeños, lo que permite a los diseñadores crear convertidores más compactos o liberar espacio en la placa para funciones adicionales.
Un ejemplo típico de capacitor híbrido es el EEH-ZA1V151P. Este dispositivo de 150 microfaradios (µF) y 35 voltios mantiene una baja ESR de 27 miliohmios (mΩ), tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a aproximadamente +105 °C y presenta una vida útil de 10,000 horas (hs) (a +105 °C). Su idoneidad para aplicaciones de centros de datos se demuestra en la placa de evaluación del convertidor CC/CC EVLMG1-250WLLC de STMicroelectronics (Figura 2). Esta placa de GaN alcanza densidades de potencia de 20 vatios por pulgada cúbica (W/in.³) con una eficiencia superior al 92%.
Figura 2: La placa de evaluación del convertidor CC/CC GaN EVLMG1-250WLLC demuestra el potencial del capacitor híbrido. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
Ventajas de los capacitores de baja ESR para un suministro de energía de alta densidad y eficiencia
La tendencia a utilizar capacitores CC/CC de alta densidad de potencia en los centros de datos plantea retos de gestión térmica únicos. El aumento de la densidad de potencia y la reducción de la superficie de los componentes pueden elevar drásticamente las temperaturas de funcionamiento.
Minimizar la ESR de un capacitor puede resolver en parte estos problemas térmicos. Dado que la pérdida de potencia sigue la relación I²R, la reducción de la resistencia disminuye directamente la pérdida de potencia y, en consecuencia, la generación de calor. Esto hace que una ESR baja sea crucial para mantener temperaturas de funcionamiento seguras en diseños compactos.
Sin embargo, incluso los capacitores más eficientes pueden experimentar altas temperaturas de funcionamiento debido a su entorno. Por tanto, es esencial seleccionar un capacitor que pueda soportar el calor de un centro de datos muy apretado. La figura 3 muestra una tabla de selección que tiene en cuenta la temperatura de funcionamiento, entre otras consideraciones.
Figura 3: Se muestra una guía de selección de capacitores híbridos basada en la corriente de rizado, la capacitancia, el tamaño y la temperatura de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Panasonic)
Mientras que las altas frecuencias de conmutación que permite la tecnología GaN permiten encapsulados más pequeños, la tecnología de capacitores debe mantener una capacitancia adecuada para manejar altas corrientes de rizado. Con opciones de capacitancia de 47 μF a 680 μF y la capacidad de manejar hasta 2.3 amperios (A) a 100 kHz, los capacitores híbridos de la serie EEH-ZL abordan estos desafíos. También tienen un funcionamiento garantizado hasta +135 °C y una ESR de hasta 14 mΩ.
Un ejemplo es el capacitor EEH-ZL1E681P 680 μF, que tiene una ESR de 14 mΩ y un diámetro de encapsulado de 10.0 mm.
Uso de resistencias de alta precisión para un control exacto de la potencia
Los convertidores CC/CC de los centros de datos necesitan una realimentación muy precisa para controlar la potencia. Esto es fundamental en los diseños basados en GaN, donde incluso pequeños errores en la realimentación del ciclo de trabajo pueden dar lugar a peligrosas condiciones de sobretensión o sobrecorriente.
Aunque existen varias tecnologías de detección de corriente, las resistencias en derivación son especialmente atractivas para los entornos con limitaciones de espacio de servidores, infraestructuras de almacenamiento y fuentes de alimentación. Sin embargo, la alta densidad de potencia de los diseños modernos crea importantes desafíos para la detección de corriente resistiva.
El principal desafío reside en la estabilidad térmica. Los valores de resistencia pueden variar significativamente a medida que cambia la temperatura de funcionamiento, lo que puede comprometer la precisión de la medición. Esto hace que el coeficiente de resistencia térmica (TCR) sea una especificación crítica. Debe ser lo más baja posible para mantener la precisión de las mediciones en los amplios rangos de temperatura que se dan en las operaciones de los centros de datos.
Las resistencias de la serie ERA-8P de Panasonic (Figura 4) abordan estos desafíos a través de varias características innovadoras:
- Un TCR ultrabajo de ±15 ×10-6 por grado Kelvin (K) conseguido a través del procesamiento de precisión de una película fina
- Una capa de resina blanda reductora de tensiones bajo la resistencia que minimiza la formación de grietas en la soldadura durante los ciclos térmicos.
- Una superficie de sustrato de alúmina lisa que garantiza un grosor uniforme de la película resistiva
- Un patrón de resistencia de serpentina larga y fina que dispersa la concentración de carga de corriente, proporcionando una resistencia a las descargas electrostáticas (ESD) líder en el sector.
Figura 4: Las resistencias de la serie ERA-8P están diseñadas para ofrecer una gran estabilidad térmica. (Fuente de la imagen: Panasonic)
El ERA-8PEB1004V demuestra estas capacidades con especificaciones adecuadas para la monitorización de energía en centros de datos:
- Un elemento limitador de alta tensión de 500 V a 1 MΩ para supervisar los rieles de alimentación de alta tensión.
- Una potencia nominal de 0.25 W que garantiza una pérdida de potencia mínima
- Rango de temperatura de funcionamiento: -55 °C y +155 °C
- Resistencia superior a las descargas electrostáticas (ESD) para un funcionamiento fiable en entornos de alta potencia
Uso de Wi-Fi para controlar la eficiencia energética
DCIM se enfrenta a una complejidad creciente a medida que las cargas de trabajo de IA impulsan la implementación de más servidores, sistemas de almacenamiento y fuentes de alimentación. Aunque la supervisión del consumo de energía en estos sistemas es crucial para optimizar la eficiencia, las soluciones tradicionales de supervisión por cable agregan costos, complejidad y problemas de gestión de cables que se agravan a medida que se amplían las instalaciones.
La vigilancia inalámbrica ofrece una solución elegante a estos desafíos. Permite gestionar la energía en tiempo real mediante mediciones de tensión, corriente y temperatura sin la sobrecarga de cableado adicional. Este enfoque ofrece mayor flexibilidad para ampliar o reducir las operaciones sin necesidad de reconfigurar las conexiones físicas.
Sin embargo, los módulos inalámbricos para aplicaciones de centros de datos deben cumplir varios requisitos estrictos:
- Mantener una conectividad fiable en entornos con numerosos obstáculos y posibles fuentes de interferencias
- Minimizar el consumo de energía para mantener la eficiencia global
- Adaptarse a factores de forma compactos para integrarse con los equipos existentes
- Proporcionar sólidas funciones de seguridad para proteger la información confidencial del centro de datos
El módulo Wi-Fi ENW-49A01A3EF PAN9320 de Panasonic (Figura 5) aborda estos desafíos a través de su amplio conjunto de funciones:
- El funcionamiento a 2.4 GHz proporciona una penetración superior a través de los obstáculos del centro de datos, al tiempo que garantiza una amplia compatibilidad gracias a la compatibilidad con los estándares 802.11b/g/n.
- La eficiencia energética se mantiene gracias a un consumo mínimo de 430 miliamperios (mA) para la transmisión (Tx) y 160 mA para la recepción (Rx) en el modo 802.11b.
- Su diseño compacto de 29.0 mm × 13.5 mm × 2.66 mm para montaje en superficie simplifica la integración.
- Las funciones de seguridad integradas, como TLS/SSL, HTTPS y WPA2, protegen la información confidencial.
Estas funciones permiten a los operadores de centros de datos implantar un control exhaustivo de la energía, minimizando al mismo tiempo la sobrecarga física y operativa asociada normalmente a estos sistemas.
Figura 5: El ENW-49A01A3EF ofrece una completa solución Wi-Fi de 2.4 GHz para una DCIM eficaz. (Fuente de la imagen: Panasonic)
Conclusión
Las exigencias de las cargas de trabajo de la IA requieren un replanteamiento de su infraestructura energética, desde la selección de componentes individuales hasta los sistemas de supervisión de toda la instalación. La cartera de capacitores híbridos, tecnología ESR ultrabaja, resistencias de precisión y conectividad inalámbrica de Panasonic proporciona a los operadores de centros de datos las herramientas que necesitan para construir y mantener sistemas de alimentación eficientes y escalables para soportar aplicaciones de IA de próxima generación.
Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-to-provide-effective-power-management-for-ai-datacenters
