Suministrando megavatios de potencia a centros de datos de IA gracias a la tecnología SiC JFET

Autora: Sally Feng, onsem

Resumen

La proliferación de modelos de IA generativa (GenAI) como ChatGPT, Llama, Gemini y DeepSeek hace que los centros de datos se vean sometidos a la presión de ofrecer unos niveles inusitados de potencia computacional, eficiencia energética y gestión térmica. Estos requisitos impulsan la adopción de arquitecturas de potencia de alta tensión y alta densidad basadas en la tecnología del carburo de silicio (SiC).

Para que los centros de datos destinados a IA cumplan estos requisitos es cada vez más relevante disponer de una alimentación eficiente, fiable y económica. Los JFET de dos etapas o CJFET (JFET de cascodo o Cascode JFET) de SiC están diseñados para aumentar la eficiencia de la conversión de potencia en las fuentes de alimentación de los servidores. Por su parte, los JFET de SiC normalmente cerrados (en conducción u ON) y los JFET que combinan SiC y silicio (Si) ofrecen una protección robusta para aplicaciones de conexión en caliente (hot-swap) y fusibles electrónicos/Oring de alta tensión.

Este artículo expone las tendencias más recientes del mercado y los requisitos del sistema de los centros de datos para IA. También explica cómo aprovechar las ventajas de las familias de JFET de SiC para que la infraestructura del centro de datos para IA sea eficiente, fiable y escalable.

Tendencias del mercado de centros de datos para IA y objetivo del sistema

Los centros de datos para IA son instalaciones especialmente diseñadas para cubrir las elevadas necesidades de computación de las cargas de trabajo de la IA. Estos centros albergan miles de servidores equipados con GPU, ASIC especiales para IA y componentes para redes de alta velocidad. La Agencia Internacional de la Energía (IEA) estima que los centros de datos consumieron unos 415 teravatios-hora (TWh) de electricidad en 2024, que representan alrededor del 1,5% de la electricidad consumida en todo el mundo. Se prevé que este consumo se duplique con creces para alcanzar unos 945 TWh, por lo que su cuota del consumo será del 3% en 2030.

A medida que aumentan la complejidad y el tamaño de los modelos de IA lo hace también la potencia de estos sistemas. Los niveles de potencia de los actuales racks de servidores oscilan entre 30 y 120 kW, pero las principales empresas de computación están desarrollando activamente tecnologías que alcanzan 1 MW; es decir, diez veces más que la capacidad actual, lo cual exige importantes innovaciones en la conversión y la distribución de potencia. La distribución tradicional de 48V – 54V a nivel de rack ya no puede cubrir las necesidades de la infraestructura actual de IA del orden de megavatios.

La mayoría de los racks para IA sigue utilizando los 48VCC suministrados a través de pesadas barras de alimentación de cobre que llegan hasta las bandejas de computación. Sin embargo, cuando la potencia del rack supera los 200kW, la distribución de 48VCC alcanza su límite: ocupa demasiado espacio (hasta 64U por rack para las bandejas de alimentación en sistemas como GB200/GB300 NVL72 de NVIDIA), por lo que no queda sitio para el hardware de computación. También exige unas cantidades insostenibles de cobre ya que un rack de 1MW necesita más de 200kg, es decir, unas 500.000 toneladas para un centro de datos de 1GW. Además, las sucesivas conversiones CA/CC y CC/CC añaden unas pérdidas significativas de energía e incrementan la complejidad del sistema.

Una alternativa más eficiente consiste en convertir 13,8kV CA directamente en una alta tensión de 800V CC en la periferia del centro de datos por medio de un transformador de estado sólido. Esto disminuye el número de etapas de conversión, minimiza la pérdida de energía y simplifica la cadena de suministro eléctrico. El menor número de fuentes de alimentación y ventiladores también mejora la fiabilidad, reduce la carga térmica y mejora la eficiencia energética, convirtiendo así la alta tensión CC en una solución escalable y de alto rendimiento para los centros de datos de próxima generación.

En resumen, estas son las principales tendencias del mercado relacionadas con las innovaciones en los centros de datos:

• Bus CC de alta tensión (400VCC y 800VCC) para alimentar los densos racks de servidores.
• Mayor densidad de potencia para minimizar la huella y los costes de refrigeración.
• Conmutación rápida y bajas pérdidas en conducción para una mayor eficiencia energética.
• Mecanismos robustos de protección para salvaguardar los componentes sensibles cuando hay incidencias en el suministro eléctrico.

Figura 1: Arquitectura del sistema de bus de (±)400VCC / 800VCC (hasta 1MW).

Requisitos de la fuente de alimentación del servidor en los centros de datos para IA

Todos los centros de datos para IA utilizan racks de servidores avanzados que han sido diseñados para permitir una computación de alta densidad, mejorar las soluciones de refrigeración y lograr una gestión de potencia eficiente. A menudo utilizan configuraciones de alta densidad (p.ej., la fuente de alimentación debería cumplir o superar las especificaciones de la certificación 80 Plus Titanium o incluso Ruby), de modo que cada rack pueda llegar hasta 100 kW o más. El número total de racks puede oscilar entre unas pocas decenas en configuraciones pequeñas hasta varios cientos en instalaciones grandes. Open Rack V3 (ORV3) es la versión más reciente del estándar Open Rack desarrollado por el Open Compute Project (OCP). Las fuentes de alimentación de servidores en centros de datos para IA deben cumplir unos exigentes requisitos:

• Alta eficiencia en amplios rangos de carga.
• Alta densidad de potencia para reducir los costes del sistema.
• Factores de forma compactos para entornos con limitaciones de espacio.
• Compatibilidad con drivers de puerta estándar para simplificar el diseño.

Las soluciones tradicionales que utilizan MOSFET de superunión (superfunction – SJ) de silicio a menudo se ven incapaces de cumplir estos requisitos debido a limitaciones en su velocidad de conmutación, resistencia en conducción y rendimiento térmico.

Optimización de la eficiencia en fuentes de alimentación de servidores: JFET de dos etapas de SiC

Los CJFET de SiC, como los de onsemi, integran un JFET de SiC normalmente cerrado de baja tensión para crear un dispositivo normalmente abiertos (en corte u OFF). Esta configuración ofrece varias ventajas:

• La menor R_DS(on) por unidad de superficie: Permite manejar una corriente más alta y disminuir las pérdidas en conducción.
• Altas velocidades de conmutación: Mejoran la eficiencia en topologías de conmutación dura y suave.
• Compatibilidad del driver de puerta: Funciona con drivers de puerta de silicio de tipo estándar, por lo que simplifica la integración.
• Menor tamaño de la pastilla de semiconductor: Reduce el coste y mejora las pérdidas en conmutación y en conducción.

Figura 2: Menor R_DS(on) x superficie comparada con los principales competidores.

Figura 3: Comparación de las tensiones de driver de puerta para diferentes tecnologías de dispositivos de potencia.

En un rack de servidor para IA, los CJFET de SiC permiten alcanzar una alta eficiencia en la conversión CA/CC y CC/CC para los principales subsistemas de potencia, como la fuente de alimentación, la unidad de respaldo de batería (BBU), la bandeja reductora de picos de carga (PLSS) y los convertidores de bus intermedio (IBC). Su alta eficiencia y su huella compacta son se adaptan a los exigentes perfiles de alimentación de las cargas de trabajo de la IA.

Si se comparan con los MOSFET de SiC y los MOSFET SJ de Si:

• Los CJFET de SiC disminuyen notablemente la resistencia en conducción por unidad de superficie ya que mejoran en 10 veces el nivel ofrecido por los dispositivos SJ de Si y hasta un 50% respecto a los MOSFET de SiC.
• Las pérdidas en conmutación se reducen significativamente, por lo que pueden funcionar a una frecuencia más alta y con componentes pasivos más pequeños.
• La gestión térmica se simplifica, de modo que se necesitan menos disipadores de calor, que son voluminosos.

Análisis comparativo de diferentes tecnologías discretas

Estas ventajas de los CJFET de SiC se traducen en menores costes del sistema, mayor eficiencia más fiabilidad en los centros de datos hiperescalares.

Función de conexión en caliente en centros de datos para IA

Los circuitos de conexión en caliente o hot-swap desempeñan un papel fundamental en los centros de datos para IA al posibilitar la inserción o la extracción de módulos de potencia sin interrumpir el funcionamiento del sistema. Estas funciones están diseñadas para bloquear los picos de corriente durante la conexión de los módulos, de modo que proporcionan una respuesta rápida en caso de fallo con el fin de salvaguardar la electrónica sensible y de conseguir unos diseños compactos y optimizados desde un punto de vista térmico para entornos con servidores de alta densidad. Esta combinación de robustez y eficiencia es imprescindible para conservar la fiabilidad y el tiempo de actividad en infraestructuras de computación de alto rendimiento.

JFET de SiC y JFET de SiC y Si: soluciones robustas de conexión en caliente a alta tensión

Los JFET de SiC de 650V–1700V y los JFET de SiC y Si de onsemi integran funciones avanzadas por lo que resultan ideales para aplicaciones de conexión en caliente y fusibles electrónicos de alta tensión. Su resistencia extremadamente baja en conducción asegura una alimentación eficiente con unas mínimas pérdidas térmicas en conducción. Además, su fiabilidad térmica superior cuando funciona en modo lineal proporciona una limitación de la corriente segura y, junto con las velocidades controlables de desconexión, ofrece una protección robusta frente a picos de corriente y cortocircuitos por lo que contribuye a aumentar la fiabilidad del sistema y su seguridad operativa.

Principales características de los JFET de SiC

• Dispositivos normalmente cerrados con una R_DS(on) extremadamente baja.
• La sobreexcitación con Vgs =2V Rds(on) es un 10-15% más bajo que la Rds(on) con Vgs =0V.
• Amplias SOA y zona de estabilidad térmica en modo lineal para aplicaciones de limitación de corriente.
• Vgs en conducción es una medida directa de Tj, ideal para circuitos de automonitorización.
• Proporcionan una respuesta rápida y una elevada conductividad térmica.

Principales características de los JFET de SiC y Si

• Integran un JFET de SiC y un MOSFET de Si en un solo encapsulado.
• Proporcionan un interruptor normalmente abiertocompatible con el driver de puerta para MOSFET de Si/SiC.
• Permiten controlar la velocidad de conmutación ajustando la resistencia de la puerta del JFET.
• Permiten conectar varios JFET en paralelo.

Mayor estabilidad térmica en modo lineal con conexión en caliente

En los circuitos de conexión en caliente, los dispositivos de potencia funcionan a menudo en modo lineal para controlar los picos de corriente y garantizar un arranque suave y seguro con altas cargas capacitivas. La adopción de arquitecturas de alta tensión (400V y 800V CC) en las barras de alimentación en los sistemas de los centros de datos para IA ha acentuado notablemente la importancia de las soluciones de conexión en caliente basadas en SiC. En estos entornos de alta tensión, los JFET de SiC y Si, y los JFET de SiC, mejoran la seguridad del sistema y su eficiencia operativa proporcionando las siguientes funciones clave:

• Bloquear los picos de corriente durante la inserción del módulo.
• Proteger frente a cortocircuitos y sobrecorrientes.
• Permitir diseños compactos y eficientes con menos componentes

A diferencia de los MOSFET convencionales de Si o de SiC, los JFET de SiC se caracterizan por una zona de estabilidad térmica mucho más amplia por encima del punto cuyo coeficiente de temperatura es cero, con un coeficiente de temperatura negativo de la corriente que les permite conducir más corriente a temperaturas de unión elevadas sin desbordamiento térmico. Este comportamiento asegura un rendimiento previsible y mejora la fiabilidad del sistema bajo unas condiciones térmicas exigentes. Además, la tensión entre puerta y fuente (V_GS) de un JFET en conducción sirve como indicador directo de la temperatura de unión, permitiendo así la monitorización térmica en tiempo real y la protección como un sensor de temperatura. Los JFET de SiC y Si también integran un MOSFET de silicio de baja tensión con un JFET de SiC normalmente cerrado en un encapsulado compacto que añade robustez térmica a un driver de puerta simplificado (normalmente abierto) y flexibilidad de control.

Figura 4: El JFET de SiC tiene una zona de estabilidad térmica muy pequeña en
modo lineal.

Al ofrecer tales ventajas, los JFET de SiC y Si, y los JFET de SiC, resultan especialmente adecuados para aplicaciones en modo lineal como conexión en caliente, fusibles electrónicos y ORing donde la limitación de los picos de corriente, la protección frente a sobrecorrientes y la gestión térmica son críticas para la fiabilidad del sistema.

Conclusión

A medida que evolucionan los centros de datos para IA crece rápidamente la necesidad de soluciones de alimentación de alto rendimiento y energéticamente eficientes. El catálogo de EliteSiC de onsemi, formado por CJFET de SiC, JFET de SiC y JFET de SiC y Si de 650V–1700V, ofrece una completa gama de soluciones destinadas a fuentes de alimentación de servidores y aplicaciones de conexión caliente y ORing en centros de datos para IA. Estos dispositivos destacan por sus elevados niveles de eficiencia, rendimiento térmico y flexibilidad de diseño, por lo que permiten que los centros de datos admitan cargas de trabajo para la IA más avanzada.

Las propiedades únicas de la tecnología de SiC, con una cadena de suministro de SiC totalmente integrada de extremo a extremo, permite a onsemi dotar a los diseñadores de la posibilidad de construir arquitecturas de potencia escalables, fiables y económicas para el futuro de la IA.

Para consultar información técnica detallada y conocer las soluciones recomendadas por  onsemi para centros de datos para IA, visite onsemi.com y descargue la Guía de Soluciones para Sistemas de Centros de Datos.