Componentes modernos que capacitam os sistemas HPC de datacenter em meio à explosão de IA

O crescimento do datacenter está aumentando em meio à expansão dos serviços em nuvem e à súbita demanda por aplicações de inteligência artificial (IA), dependentes de grandes modelos de linguagem (LLMs) que exigem maior escalabilidade e vastos recursos computacionais. Isso requer uma nova geração de sistemas de computação de alto desempenho (HPC), utilizando componentes especializados que possam atender às necessidades de maior potência e gerenciamento térmico.

Essas necessidades dos datacenters estão impulsionando a demanda por componentes passivos aprimorados, como capacitores de potência, resistores e indutores, que os projetistas de produtos podem utilizar no desenvolvimento de dispositivos HPC mais avançados para atender aos requisitos de processamento de IA. Esses requisitos incluem maior eficiência, desempenho, confiabilidade e gerenciamento térmico em dispositivos menores que permitem que os datacenters otimizem o espaço e aumentem a densidade de seus sistemas.

Melhores indutores para eficiência de HPC

A KEMET, uma subsidiária da YAGEO Group, desenvolveu indutores compostos de metal para melhorar o desempenho de conversores CC-CC e fontes de alimentação chaveadas. Aproveitando seu histórico como fornecedora de componentes magnéticos personalizados para OEMs, ela desenvolveu uma linha padronizada de indutores de potência METCOM MPX que apresentam maior tolerância a transientes de corrente e temperaturas operacionais mais altas, proporcionando um design compacto e alto desempenho.

Os indutores de potência compostos de metal da METCOM apresentam alta densidade do fluxo de saturação do núcleo, o que permite um campo magnético mais forte do que os indutores de ferrite tradicionais. Eles fornecem indutância estável em função da temperatura e da corrente.

O núcleo consiste em pó metálico com um revestimento isolante e um agente de ligação. A faixa de indutância disponível para a série MPX é de 0,1 a 100 µH.

Usando um fio de cobre redondo envolto em um pó composto de metal magnético sinterizado (Figura 1) capaz de manter a indutância estável em relação à temperatura e à corrente, a construção do indutor o torna adequado para muitos reguladores CC-CC, como fontes de alimentação chaveadas para servidores de datacenter, como indutores de potência, indutores de filtro EMI e reguladores de ponto de carga.

Figura 1: Os indutores de potência METCOM MPX usam fio de cobre redondo envolto em um pó composto de metal magnético sinterizado. (Fonte da imagem: KEMET)

O pó metálico possibilita a produção de indutores com maior densidade de energia e maior resistência ao calor, permitindo uma pegada menor do que a dos indutores com núcleo de ferrite, juntamente com os benefícios adicionais de menores perdas do núcleo em frequências mais altas e supressão superior de interferência eletromagnética (EMI). Tudo isso se combina para proporcionar maior durabilidade e confiabilidade, que são essenciais para as operações de datacenters.

Com mais de 200 opções na série MPX (Figura 2), a Kemet oferece uma ampla gama de alternativas. As dimensões disponíveis incluem 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm e 22 x 22 mm.

Figura 2: Fator de forma do METCOM MPX. (Fonte da imagem: KEMET)

O MPX1D0630L3R3, por exemplo, é um componente de 6 x 6 mm com uma altura de 3,0 mm que permite o uso eficiente do espaço em uma placa de circuito impresso densamente compactada sem sacrificar o desempenho. Com uma temperatura operacional dimensionada até +155°C, uma indutância de 3,30 µH ±20% e uma resistência CC máxima de 30,3 mΩ, ele é adequado para ambientes de HPC em que é fundamental manter a integridade da energia, o gerenciamento térmico e a eficiência.

Para requisitos menos rigorosos ou maior versatilidade em relação aos valores de indutância, o MPX1D0530L220 é fornecido em uma pegada de 5 x 5 mm com uma altura de 3,0 mm, com uma indutância de 22,00 µH. Com uma resistência CC máxima mais alta de 341,2 mΩ, ele seria adequado nos casos em que o gerenciamento térmico é menos problemático ou em que há resfriamento adicional incorporado ao sistema.

Opções de indutores de potência em miçangas para HPC

Nos sistemas de HPC em que a supressão geral de EMI é necessária sem exigências rigorosas de desempenho, outra empresa da YAGEO, a Pulse Electronics, oferece indutores de potência em miçangas otimizados para manuseio de alta corrente. Eles são projetados especificamente para uso com a topologia do regulador de tensão transindutor (TLVR).

Os indutores de potência em miçangas com núcleo de ferrite são uma alternativa aos indutores de toróide enrolado que normalmente alimentam os reguladores de tensão com núcleo (VCORE) para PCs. Fabricados com tecnologia de furo passante (THT), os indutores de potência em miçangas proporcionam maior eficiência e oferecem tolerâncias mais rígidas, permitindo um tamanho menor nos reguladores VCORE.

Em vez de escalonar as correntes de ondulação dos indutores de um enrolamento em uma topologia buck multifásica, os indutores de potência em miçangas permitem indutâncias menores e possibilitam um compromisso de projeto entre a rapidez com que o conversor responde a uma alteração na corrente de carga (resposta transitória) e a estabilidade da malha de controle.

Os componentes da Pulse Electronics são normalmente usados em reguladores de tensão multifásicos de alta corrente que alimentam processadores, módulos de memória e ASICS e FPGAs de alta corrente para servidores, placas gráficas, armazenamento e datacenters. Estes indutores TLVR de dois enrolamentos estão disponíveis em pegadas que variam de 4 x 4 mm a 13 x 13 mm, com faixas de indutância de 20 nH a 1 µH.

As peças no fator de forma da série PAL6373.XXXHLT (Figura 3), como a PGL6380.101HLT, são fornecidas em uma pegada de 12 x 6 mm com indutâncias que variam de 100 nH a 200 nH, dimensionamentos da corrente de saturação de 59 A a 125 A de pico e uma faixa de temperatura operacional de -40 °C a +125 °C. Construídos com um núcleo de ferrite montado em um enrolamento de 1T ou 2T, eles apresentam resistência CC (DCR) extremamente baixa, alta corrente de pico e baixas perdas CA. Eles estão disponíveis nas versões de uma fase, fases integradas e indutor acoplado.

Figura 3: Fator de forma do indutor de potência em miçangas da série PAL6373.XXXHLT da Pulse Electronics. (Fonte da imagem: Pulse Electronics)

Para sistemas HPC, a escolha entre indutores de potência em miçangas e tipos de compostos metálicos depende dos requisitos específicos do sistema, como a necessidade de alta estabilidade de indutância, resistência à temperatura e redução de ruído. Os indutores KEMET oferecem desempenho estável em uma faixa de temperatura estendida, até +180°C, e sua estrutura metálica moldada reduz o ruído acústico, o que pode ser vantajoso em sistemas HPC sensíveis a ruídos.

Capacitores estáveis de longa duração

Os capacitores eletrolíticos sólidos de alumínio e polímero condutor da KEMET também são adequados para os requisitos exigentes dos sistemas HPC, nos quais o desempenho, a eficiência e a confiabilidade são fundamentais.

Ao contrário dos capacitores eletrolíticos de alumínio "úmidos" tradicionais que usam eletrólitos líquidos condutores, os polímeros sólidos nos capacitores da KEMET apresentam uma baixa resistência em série equivalente (ESR) que é estável em todas as temperaturas, frequências e vida útil operacional.

Com capacidade para correntes de ondulação mais altas e vida útil mais longa do que os capacitores úmidos, nos quais o eletrólito pode secar e falhar, os dispositivos de polímero sólido são mais resistentes à vibração e projetados para maior estabilidade. Eles mantêm a capacitância de forma eficaz em altas frequências, o que os torna uma opção atraente para fontes de alimentação de chaveamento rápido.

Os capacitores KEMET operam efetivamente sob as altas demandas de corrente típicas dos sistemas HPC sem perda significativa de energia e acomodam tensões mais altas em comparação com os eletrolíticos padrão devido à combinação de polímero condutor e eletrólito. As propriedades elétricas aprimoradas e a robustez dos capacitores eletrolíticos sólidos de polímero e alumínio podem aumentar significativamente a eficiência e a confiabilidade gerais dos sistemas HPC em comparação com as alternativas.

Projetada para oferecer vida útil mais longa e maior estabilidade em uma ampla faixa de temperaturas, a série A768 de capacitores de montagem em superfície da KEMET (Figura 4) vem com valores que variam de 18 µF a 1.200 µF e em tensões que variam de 4 V_CC a 80 V_CC. Por exemplo, o A768MS108M1CLAE015 é uma versão de 16 V e 1000 µF com um dimensionamento da ESR de 15 mOhm e uma faixa de temperatura operacional de -55°C a cerca de +125°C. Possui um pad de contato com comp. de 10,30 mm x larg. 10,30 mm.

Figura 4: Um capacitor de alumínio-polímero sólido de montagem em superfície da série A768 da KEMET. (Fonte da imagem: KEMET)

Esses capacitores são projetados para manter o desempenho em condições térmicas exigentes, e há versões disponíveis para suportar vibrações de até 30 g para ambientes de HPC em que a tensão mecânica ou o movimento podem causar instabilidade.

Resistores de filme fino em chip

Outro componente importante para os projetos de HPC são os resistores de chip que complementam os inversores de potência e os capacitores para proteger contra o fluxo excessivo de corrente e garantem a estabilidade e a eficiência gerais do sistema. Em 2023, a YAGEO Group lançou sua série NT de resistores de filme fino de nitreto de tântalo em chip, projetados para manter um desempenho de alta consistência em ambientes exigentes.

O design de autopassivação da série NT forma uma camada de impermeabilização que protege a camada resistiva para evitar a penetração de umidade. Os dispositivos estão disponíveis em invólucros com tamanhos de 0402 a 1206, com uma faixa de resistência de 100 Ω a 481 kΩ.

Com uma ampla faixa de temperatura operacional de -55°C a +155°C, os resistores NT contribuem para a distribuição estável de energia e a transferência eficiente de energia. Eles oferecem um baixo coeficiente de temperatura da resistência (TCR) de ±25, ±50 ppm/°C, com potências nominais de 1/20 W a 2/5 W.

Conclusão

As demandas de computação em nuvem e IA estão impulsionando a necessidade de componentes eletrônicos com atributos específicos para fornecer alta confiabilidade em condições exigentes. Os projetistas podem atender aos requisitos em constante evolução dos sistemas HPC com indutores, resistores e capacitores de potência especializados, como os fornecidos pela YAGEO Group e suas empresas do portfólio KEMET e Pulse Electronics.