超空間數(shù)據(jù)中心現(xiàn)代處理器的電源交付挑戰(zhàn)

本文根據(jù)的介紹是解決在超空間數(shù)據(jù)中心中使用的尖端處理器日益增長的功率需求,特別是用于培訓(xùn)大型人工智能模型。不斷增加的電力需求對整個電力轉(zhuǎn)換鏈構(gòu)成重大挑戰(zhàn),從交流/直流電源到直接位于處理器旁邊的負(fù)載點電源級。

生成性人工智能的興起及其力量需求

能夠根據(jù)預(yù)先配置的模型創(chuàng)建數(shù)據(jù)的生成人工智能的出現(xiàn),推動了服務(wù)器安裝的大幅上升。新的應(yīng)用程序,如查特特,微軟的副駕駛員和具有大量參數(shù)的大型語言模型,都需要越來越強大的處理器來有效地訓(xùn)練這些模型。

傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)處理技術(shù)的這種轉(zhuǎn)變,正如X86處理器的經(jīng)典馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中所看到的那樣,需要一種范式的改變?，F(xiàn)代的?人工智能 培訓(xùn)在很大程度上依賴大規(guī)模的并行計算,利用圖形處理單元和張量處理單元等架構(gòu)。這些處理器擁有數(shù)百個核心和高帶寬的存儲器,或者是整體集成的,或者是使用一種叫做"芯片上瓦夫上基"(Cowos)的技術(shù)在同一個包中以堆疊模的方式橫向排列的。

此外,芯片技術(shù)的進步,以及將有限網(wǎng)狀模具連接到更大的"超級芯片"的方法,正在推動這些系統(tǒng)的計算能力指數(shù)增長。因為電力線路成為進一步擴大?邏輯晶體管 未來的工作是通過埋在處理器背面的電力線來提供電力,通過納米通硅維亞斯連接到前端。

這些進步的結(jié)果是處理器功率需求大幅增加,無論是負(fù)載電流還是瞬態(tài)響應(yīng)。目前,每臺處理器的電源輸入量超過1千瓦,電源電壓約為0.7%,這意味著負(fù)載電流超過1500瓦。

重新考慮功率傳遞:從橫向到縱向

傳統(tǒng)的基于離散功率級和獨立電感的橫向電力輸送,難以應(yīng)付現(xiàn)代處理器的過高電流需求。與此方法相關(guān)的電力分配損失與負(fù)載電流的平方度,造成了隨著每一代新一代日益耗電的處理器惡化的情況。因此,電力輸送需要縱向重新設(shè)計,如圖1所示。

圖1:在12V向核心轉(zhuǎn)換過程中,垂直電力流實現(xiàn)了顯著的電力損失減少。

由于空間限制,將功率級、閘門驅(qū)動器和電感器異構(gòu)三維集成到緊湊型直流模塊中是至關(guān)重要的。雖然傳統(tǒng)的解決方案經(jīng)常直接通過電感冷卻功率級,但這需要在整個模塊中路由所有主板輸入信號,使3D設(shè)置復(fù)雜。

英菲良科技 采用了一種獨特的方法,選擇通過電感冷卻功率級。此外,它還采用了一種新的磁性材料,其核心損耗小,軟飽和性好,比競爭性溶液的效率高2%。

圖2顯示了英菲永的tm22544d和tm22545d雙相模塊,安裝在一個小型的9×10mm內(nèi)。 2 腳印和輸出到160點的峰值電流。這些模塊有兩個高度,5毫米和8毫米,以適應(yīng)各種空間限制。

圖2:英菲良公司的垂直背面模塊

中間總線轉(zhuǎn)換器的作用

中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)在機架背板上提供的48V和為PAR級提供的電壓水平之間充當(dāng)中間體。輸入電壓可以在40到60V之間變化,也可以按照開放式計算機規(guī)范V3.0當(dāng)前發(fā)布的規(guī)定嚴(yán)格調(diào)節(jié)到50V。

中型散貨箱輸出的最優(yōu)電壓水平要求仔細(xì)考慮平衡中型散貨箱與光電池級之間的功率分布損失,使處理器避免光電池級內(nèi)的開關(guān)損失。一個較低的中間總線電壓使多電壓電池能夠在較高的開關(guān)頻率(1兆赫或以上)下工作,并使用較低功率的MOSIFT,如15V模型。

最新分析載於?亞太經(jīng)合組織2024 由英特爾和谷歌提出,一個6:1的分頻器的中間總線電壓水平為8V是最有效率的電力分配網(wǎng)絡(luò)的電阻3至6毫米。加速器卡,如GPPS或TPPS,其中的功率分布電阻通常低于1mb,可以使用一個8:1的分頻器來產(chǎn)生一個中間總線電壓在5到7.5V之間的40到60V的輸入。

此時,8:1比的純電容分頻器過于昂貴且空間密集,而基于轉(zhuǎn)換器的LLC功率級提供了一種選擇。混合開關(guān)-電容轉(zhuǎn)換器,結(jié)合了電容和變換器的電力傳輸,是英菲龍的建議解決方案。

重新思考備用電源:從UPS到48V電池集成

大型云服務(wù)供應(yīng)商越來越多地放棄了傳統(tǒng)上與主配電系統(tǒng)串聯(lián)的不間斷電源。這些UPS系統(tǒng)具有雙重的交流/直流和直流/交流轉(zhuǎn)換功能,在數(shù)據(jù)中心的總體電力流中造成4%至6%的效率損失,大大提高了運營成本。

現(xiàn)代的備用電力解決方案在48V直流水平上并行運行,使用的鋰離子(鋰離子)電池安裝在同一機架或附近的機架專用于計算盤。開放計算規(guī)范概述了備用電池單元的輸出電壓被調(diào)節(jié)到48V。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器位于鋰離子電池和與中型散貨箱連接的48V軌道之間。

鋰離子電池的電壓范圍可以選擇通過串聯(lián)和并行連接將其集中在48V上,而不是處理整個電池堆的功率。對于完全調(diào)節(jié)的48V輸出,這種方法只需要處理一小部分功率。

如圖3所示,英菲朗技術(shù)的一個系統(tǒng)在電池電壓范圍的中點達到了99.6%的峰值效率。這個系統(tǒng),如圖4所示,使用了共振頻率LLC轉(zhuǎn)換器和巴克轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)。為了提供48V,電路調(diào)整鋰離子電池堆電壓的極性,可能是正的或負(fù)的。

圖3:部分功率轉(zhuǎn)換器的測量效率曲線。

圖4:部分功率轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

高密度、高效率交流/直流電源

隨著計算架功率水平繼續(xù)上升,電源架的數(shù)量或服務(wù)器電源供應(yīng)的等級必須相應(yīng)調(diào)整。在培訓(xùn)人工智能模型方面,已建立的3-KW交流/直流電源可能不久將被5.5-KW等級的電力供應(yīng)機組所取代。未來的進步可能將這些功率水平推到8千瓦,可能超過10千瓦每一個單相psu。

由于效率對電力成本和消費的直接影響仍然是一個重大關(guān)切,因此這些電力供應(yīng)必須同時達到非常高的功率密度(高達100瓦/納)。 3 )及卓越效率(高達97.5%)。

采用基于碳化硅或氮化鋇的寬間隙(WBT)功率器件在這方面提供了一個明確的解決方案。利用PFC電路的托耳功率系數(shù)修正(PFC)電路?特別教育部 在高開關(guān)頻率下工作的DC/DC階段是許多設(shè)計師的首選選擇,利用了甘赫姆茨低頻率提供的有利的優(yōu)點 R (續(xù)) × Q 操作系統(tǒng)系統(tǒng) 產(chǎn)品和零回收電荷。

另一種有希望的方法是使用多層次拓?fù)溆糜赑FC。英飛龍技術(shù)最近展示了一個三級飛行電容器PFC階段,在功率密度超過150瓦/英寸的情況下,效率達到99.2%。 3 .

這一概念是建立在不久將發(fā)射的400V級碳纖維的碳纖維氧化物MOSFET基礎(chǔ)上的。此外,采用專用電路來有效地利用電解電容電池內(nèi)幾乎全部存儲的能量,同時保持直流/DC轉(zhuǎn)換器的恒定輸入電壓。

現(xiàn)代處理器巨大的功率需求要求整個電源轉(zhuǎn)換鏈的創(chuàng)新解決方案。垂直背面電源模塊需要用來處理不斷增加的處理器電流,而輸出電壓在6V至8V之間的中型散貨箱則提供了配電損失和在波蘭電力系統(tǒng)各階段開關(guān)損失之間的平衡。

部分電源轉(zhuǎn)換器提供了一個可靠的備用電源解決方案,以避免交流電源損失。與此同時,交流/直流電源可以從多層次架構(gòu)和最新的?Wbg -基于電力設(shè)備。