Como fornecer um gerenciamento de energia eficaz para datacenters de IA

A ascensão da inteligência artificial (IA) e do aprendizado de máquina (ML) criou demandas de energia sem precedentes. A próxima geração de datacenters enfrenta desafios significativos em gerenciamento de energia, eficiência e confiabilidade. As soluções de energia tradicionais geralmente têm dificuldade em atender a essas demandas no nível dos componentes individuais e do gerenciamento geral da infraestrutura de datacenter (DCIM). Os componentes avançados de potência e as soluções integradas de monitoramento oferecem uma abordagem abrangente para enfrentar esses desafios.

Por exemplo, a tecnologia de capacitor híbrido traz fornecimento estável de energia; as soluções de baixíssima resistência equivalente em série (ESR) oferecem eficiência na conversão de energia de alta corrente; os resistores de alta precisão permitem o monitoramento preciso dela; e a integração sem fio fornece o seu gerenciamento abrangente.

Este artigo explora como esses elementos ajudam a criar sistemas robustos de gerenciamento de energia para datacenters orientados por IA. Em seguida, apresenta as soluções da Panasonic nas quatro áreas e demonstra a sua aplicação em ambientes modernos de datacenter.

Fornecimento eficiente de energia para datacenters com tecnologia de capacitor híbrido

Os datacenters modernos exigem uma ampla conversão de energia. É comum necessitarem de centenas de quilovolts CA (kVCA) da rede. Esta tensão é reduzida primeiro para dezenas de kVCA a fim de distribuir pelo campus do datacenter. Depois, é convertida em centenas de VCA para distribuição nos racks dos equipamentos.

No nível do rack, a alimentação CA é convertida em corrente contínua, geralmente 12 volts CC (VCC), para atender aos requisitos do equipamento de TI. Finalmente, dentro de cada equipamento, a tensão é regulada para níveis mais baixos, frequentemente entre 1,1 e 5 volts, para alimentar os componentes individuais, como processadores e módulos de memória.

Cada etapa desta cadeia introduz perdas que podem afetar significativamente a eficiência geral do datacenter. Os projetistas de energia para datacenters estão adotando, cada vez mais, semicondutores de ampla banda proibida (WBG), como o nitreto de gálio (GaN), para minimizar as perdas nas fases de conversão posteriores. Em comparação com o silício tradicional (Si), os dispositivos WBG alcançam uma eficiência superior através de frequências de chaveamento mais elevadas e menores perdas de condução.

No entanto, a tecnologia de capacitores usada nesses conversores apresenta desafios de projeto significativos. Os projetistas de sistemas de energia tradicionalmente têm duas tecnologias comprovadas de capacitores: capacitores eletrolíticos de alumínio convencionais, que apresentam baixa corrente de fuga, e capacitores de polímero, que possuem excelentes características de ESR. Os capacitores eletrolíticos de alumínio híbridos da série EEH da Panasonic (Figura 1) apresentam uma terceira opção que combina os pontos fortes de ambos para minimizar as perdas devido à corrente de fuga e ESR.

Figura 1: Os capacitores eletrolíticos de alumínio híbridos da série EEH minimizam as perdas devido à corrente de fuga e ESR. (Fonte da imagem: Panasonic)

Os capacitores híbridos têm outras vantagens, incluindo maior confiabilidade por meio de modos de falha de circuito aberto e manutenção de sua capacitância nominal em frequências muito mais altas do que os projetos tradicionais. Enquanto os capacitores convencionais começam a perder eficácia em frequências na casa das dezenas de quilohertz (kHz), os capacitores híbridos mantêm seu desempenho em frequências próximas a 1 megahertz (MHz). Essa frequência operacional mais alta permite o uso de capacitores menores, possibilitando que os projetistas criem conversores mais compactos ou liberem espaço na placa para recursos adicionais.

Um exemplo típico de capacitor híbrido é o EEH-ZA1V151P. Este dispositivo de 150 microfarad (µF), 35 volts, mantém uma ESR baixa de 27 miliohms (mΩ), tem uma faixa de temperatura operacional de -55°C a aproximadamente +105°C e tem uma vida útil de 10.000 horas (h) (a +105°C). A sua adequação a aplicações de datacenters é demonstrada na placa de teste do conversor CC/CC EVLMG1-250WLLC da STMicroelectronics (Figura 2). Esta placa baseada em GaN atinge densidades de potência de 1,22 watts por centímetro cúbico (W/cm³) com uma eficiência superior a 92%.

Figura 2: A placa de teste do conversor CC/CC em GaN EVLMG1-250WLLC demonstra o potencial do capacitor híbrido. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Vantagens dos capacitores de ESR baixa para fornecimento de energia de alta densidade e alta eficiência

A tendência para conversores CC/CC de alta densidade de potência em datacenters cria desafios únicos de gerenciamento térmico. O aumento da densidade de potência e a redução da área dos componentes podem aumentar drasticamente as temperaturas operacionais.

Minimizar a ESR de um capacitor pode resolver parcialmente esses desafios térmicos. Uma vez que a perda de potência segue a relação I²R, a redução da resistência diminui diretamente a perda de potência e, consequentemente, a geração de calor. Isto torna crucial a ESR baixa para manter temperaturas operacionais seguras em projetos compactos.

No entanto, mesmo os capacitores mais eficientes podem experimentar altas temperaturas operacionais devido ao ambiente. Portanto, é essencial selecionar um capacitor que possa suportar o calor de um datacenter bem compactado. A Figura 3 mostra um gráfico de seleção que leva em consideração a temperatura operacional, entre outras.

Figura 3: É mostrado um guia de seleção para capacitores híbridos com base na corrente de ondulação, na capacitância, no tamanho e na temperatura operacional. (Fonte da imagem: Panasonic)

Embora as altas frequências de chaveamento possibilitadas pela tecnologia GaN permitam invólucros menores, a tecnologia de capacitores deve manter a capacitância adequada para lidar com altas correntes de ondulação. Com opções de capacitância de 47 μF a 680 μF e a capacidade de lidar com até 2,3 amperes (A) a 100 kHz, os capacitores híbridos da série EEH-ZL atendem a esses desafios. Eles também têm uma operação garantida a +135°C e uma ESR de no mínimo 14 mΩ.

Um exemplo é o capacitor de 680 μF EEH-ZL1E681P, que tem uma ESR de 14 mΩ e um diâmetro do invólucro de 10,0 mm.

Usando resistores de alta precisão para monitoramento de energia

Os conversores CC/CC em aplicações de datacenters exigem uma realimentação altamente precisa para o controle da energia. Isso é especialmente crítico em projetos baseados em GaN, onde até mesmo pequenos erros na realimentação do ciclo de trabalho podem resultar em condições perigosas de sobretensão ou sobrecorrente.

Embora existam várias tecnologias de deteção de corrente, as resistores shunt são particularmente atraentes para os ambientes com restrições de espaço dos servidores, das infraestruturas de armazenamento e das fontes de alimentação. No entanto, a elevada densidade de potência dos projetos modernos cria desafios significativos para a deteção resistiva de corrente.

O principal desafio reside na estabilidade térmica. Os valores de resistência podem variar significativamente à medida que as temperaturas operacionais mudam, comprometendo potencialmente a precisão da medição. Isso torna o coeficiente térmico da resistência (TCR) uma especificação crítica. Ele deve ser o mais baixo possível para manter a precisão da medição nas amplas faixas de temperatura encontradas nas operações do datacenter.

Os resistores da série ERA-8P (Figura 4) da Panasonic abordam esses desafios por meio de vários recursos inovadores:

• Um TCR baixíssimo de ±15 ×^10-6 por grau Kelvin (K) obtido através do processamento de precisão de filme fino
• Uma camada de resina macia que reduz a tensão mecânica abaixo do resistor, o que minimiza a formação de trincas na solda durante o ciclo térmico
• Uma superfície de substrato de alumina lisa que assegura uma espessura uniforme do filme resistivo
• Um padrão longo e fino de resistência da serpentina que dispersa a concentração da carga de corrente, fornecendo resistência à descarga eletrostática (ESD), líder do setor

Figura 4: Os resistores da série ERA-8P são projetados para alta estabilidade térmica. (Fonte da imagem: Panasonic)

O ERA-8PEB1004V demonstra esses recursos com especificações adequadas ao monitoramento de energia do datacenter:

• Uma alta tensão de limitação do elemento de 500 V a 1 MΩ para monitorizar trilhas de alimentação de alta tensão
• Uma potência nominal de 0,25 W que garante uma perda mínima de energia
• Uma ampla faixa de temperatura operacional de -55°C a +155°C
• Uma resistência superior à descarga eletrostática (ESD) para operação confiável em ambientes de alta potência

Usando Wi-Fi para monitorar a eficiência energética

O DCIM enfrenta uma complexidade crescente à medida que as cargas de trabalho de IA impulsionam a implementação de mais servidores, sistemas de armazenamento e unidades de fonte de alimentação. Embora o monitoramento do consumo de energia nesses sistemas seja crucial para otimizar a eficiência, as soluções tradicionais de monitoramento cabeado adicionam custos, complexidade e desafios de gerenciamento de cabos que só aumentam à medida que as instalações aumentam.

O monitoramento sem fio oferece uma solução elegante para esses desafios. Ele permite o gerenciamento de energia em tempo real por meio de medições de tensão, corrente e temperatura sem a sobrecarga de cabeamento adicional. Esta abordagem proporciona uma maior flexibilidade para aumentar ou diminuir as operações sem reconfigurar as conexões físicas.

No entanto, os módulos sem fios para aplicações em datacenters têm de cumprir vários requisitos rigorosos:

• Manter a conectividade confiável em ambientes com vários obstáculos e possíveis fontes de interferência
• Minimizar o consumo de energia para manter os ganhos gerais de eficiência
• Adaptar-se a fatores de forma compactos para integrar-se ao equipamento existente
• Fornecer caraterísticas de segurança robustas para proteger informações confidenciais do datacenter

O módulo Wi-Fi PAN9320 da Panasonic ENW-49A01A3EF (Figura 5) responde a estes desafios através do seu abrangente conjunto de funcionalidades:

• A operação de 2,4 GHz fornece penetração superior nos obstáculos do datacenter, ao mesmo tempo em que garante ampla compatibilidade por meio do suporte aos padrões 802.11b/g/n.
• A eficiência energética é mantida através de um consumo mínimo de energia de transmissão (Tx) de 430 miliamperes (mA) e 160 mA para receção (Rx) no modo 802.11b.
• Um design compacto de montagem em superfície de 29,0 mm × 13,5 mm × 2,66 mm simplifica a integração.
• Recursos de segurança integrados, como TLS/SSL, HTTPS e WPA2, protegem informações confidenciais.

Esses recursos permitem que os operadores de datacenter implementem um monitoramento abrangente de energia e, ao mesmo tempo, minimizem a sobrecarga física e operacional normalmente associada a esses sistemas.

Figura 5: O ENW-49A01A3EF fornece uma solução Wi-Fi de 2,4 GHz abrangente para um DCIM eficaz. (Fonte da imagem: Panasonic)

Conclusão

As demandas das cargas de trabalho de IA exigem uma reformulação de sua infraestrutura de energia, desde a seleção de componentes individuais até os sistemas de monitoramento em toda a instalação. O portfólio de capacitores híbridos, tecnologia de ESR baixíssima, resistores de precisão e conectividade sem fio da Panasonic fornece aos operadores de datacenter as ferramentas necessárias para criar e manter sistemas de energia eficientes e escaláveis para dar suporte a aplicações de IA da próxima geração.