超空间数据中心现代处理器的电源交付挑战

本文根据的介绍是解决在超空间数据中心中使用的尖端处理器日益增长的功率需求,特别是用于培训大型人工智能模型。不断增加的电力需求对整个电力转换链构成重大挑战,从交流/直流电源到直接位于处理器旁边的负载点电源级。

生成性人工智能的兴起及其力量需求

能够根据预先配置的模型创建数据的生成人工智能的出现,推动了服务器安装的大幅上升。新的应用程序,如查特特,微软的副驾驶员和具有大量参数的大型语言模型,都需要越来越强大的处理器来有效地训练这些模型。

传统的串行数据处理技术的这种转变,正如X86处理器的经典冯诺依曼体系结构中所看到的那样,需要一种范式的改变。现代的 人工智能 培训在很大程度上依赖大规模的并行计算,利用图形处理单元和张量处理单元等架构。这些处理器拥有数百个核心和高带宽的存储器,或者是整体集成的,或者是使用一种叫做"芯片上瓦夫上基"(Cowos)的技术在同一个包中以堆叠模的方式横向排列的。

此外,芯片技术的进步,以及将有限网状模具连接到更大的"超级芯片"的方法,正在推动这些系统的计算能力指数增长。因为电力线路成为进一步扩大 逻辑晶体管 未来的工作是通过埋在处理器背面的电力线来提供电力,通过纳米通硅维亚斯连接到前端。

这些进步的结果是处理器功率需求大幅增加,无论是负载电流还是瞬态响应。目前,每台处理器的电源输入量超过1千瓦,电源电压约为0.7%,这意味着负载电流超过1500瓦。

重新考虑功率传递:从横向到纵向

传统的基于离散功率级和独立电感的横向电力输送,难以应付现代处理器的过高电流需求。与此方法相关的电力分配损失与负载电流的平方度,造成了随着每一代新一代日益耗电的处理器恶化的情况。因此,电力输送需要纵向重新设计,如图1所示。

图1:在12V向核心转换过程中,垂直电力流实现了显著的电力损失减少。

由于空间限制,将功率级、闸门驱动器和电感器异构三维集成到紧凑型直流模块中是至关重要的。虽然传统的解决方案经常直接通过电感冷却功率级,但这需要在整个模块中路由所有主板输入信号,使3D设置复杂。

英菲良科技 采用了一种独特的方法,选择通过电感冷却功率级。此外,它还采用了一种新的磁性材料,其核心损耗小,软饱和性好,比竞争性溶液的效率高2%。

图2显示了英菲永的tm22544d和tm22545d双相模块,安装在一个小型的9×10mm内。 2 脚印和输出到160点的峰值电流。这些模块有两个高度,5毫米和8毫米,以适应各种空间限制。

图2:英菲良公司的垂直背面模块

中间总线转换器的作用

中间总线转换器(IBC)在机架背板上提供的48V和为PAR级提供的电压水平之间充当中间体。输入电压可以在40到60V之间变化,也可以按照开放式计算机规范V3.0当前发布的规定严格调节到50V。

中型散货箱输出的最优电压水平要求仔细考虑平衡中型散货箱与光电池级之间的功率分布损失,使处理器避免光电池级内的开关损失。一个较低的中间总线电压使多电压电池能够在较高的开关频率(1兆赫或以上)下工作,并使用较低功率的MOSIFT,如15V模型。

最新分析载於 亚太经合组织2024 由英特尔和谷歌提出,一个6:1的分频器的中间总线电压水平为8V是最有效率的电力分配网络的电阻3至6毫米。加速器卡,如GPPS或TPPS,其中的功率分布电阻通常低于1mb,可以使用一个8:1的分频器来产生一个中间总线电压在5到7.5V之间的40到60V的输入。

此时,8:1比的纯电容分频器过于昂贵且空间密集,而基于转换器的LLC功率级提供了一种选择。混合开关-电容转换器,结合了电容和变换器的电力传输,是英菲龙的建议解决方案。

重新思考备用电源:从UPS到48V电池集成

大型云服务供应商越来越多地放弃了传统上与主配电系统串联的不间断电源。这些UPS系统具有双重的交流/直流和直流/交流转换功能,在数据中心的总体电力流中造成4%至6%的效率损失,大大提高了运营成本。

现代的备用电力解决方案在48V直流水平上并行运行,使用的锂离子(锂离子)电池安装在同一机架或附近的机架专用于计算盘。开放计算规范概述了备用电池单元的输出电压被调节到48V。双向DC/DC转换器位于锂离子电池和与中型散货箱连接的48V轨道之间。

锂离子电池的电压范围可以选择通过串联和并行连接将其集中在48V上,而不是处理整个电池堆的功率。对于完全调节的48V输出,这种方法只需要处理一小部分功率。

如图3所示,英菲朗技术的一个系统在电池电压范围的中点达到了99.6%的峰值效率。这个系统,如图4所示,使用了共振频率LLC转换器和巴克转换器来调节。为了提供48V,电路调整锂离子电池堆电压的极性,可能是正的或负的。

图3:部分功率转换器的测量效率曲线。

图4:部分功率转换器的拓扑结构。

高密度、高效率交流/直流电源

随着计算架功率水平继续上升,电源架的数量或服务器电源供应的等级必须相应调整。在培训人工智能模型方面,已建立的3-KW交流/直流电源可能不久将被5.5-KW等级的电力供应机组所取代。未来的进步可能将这些功率水平推到8千瓦,可能超过10千瓦每一个单相psu。

由于效率对电力成本和消费的直接影响仍然是一个重大关切,因此这些电力供应必须同时达到非常高的功率密度(高达100瓦/纳)。 3 )及卓越效率(高达97.5%)。

采用基于碳化硅或氮化钡的宽间隙(WBT)功率器件在这方面提供了一个明确的解决方案。利用PFC电路的托耳功率系数修正(PFC)电路 特别教育部 在高开关频率下工作的DC/DC阶段是许多设计师的首选选择,利用了甘赫姆茨低频率提供的有利的优点 R (续) × Q 操作系统系统 产品和零回收电荷。

另一种有希望的方法是使用多层次拓扑用于PFC。英飞龙技术最近展示了一个三级飞行电容器PFC阶段,在功率密度超过150瓦/英寸的情况下,效率达到99.2%。 3 .

这一概念是建立在不久将发射的400V级碳纤维的碳纤维氧化物MOSFET基础上的。此外,采用专用电路来有效地利用电解电容电池内几乎全部存储的能量,同时保持直流/DC转换器的恒定输入电压。

现代处理器巨大的功率需求要求整个电源转换链的创新解决方案。垂直背面电源模块需要用来处理不断增加的处理器电流,而输出电压在6V至8V之间的中型散货箱则提供了配电损失和在波兰电力系统各阶段开关损失之间的平衡。

部分电源转换器提供了一个可靠的备用电源解决方案,以避免交流电源损失。与此同时,交流/直流电源可以从多层次架构和最新的 Wbg -基于电力设备。