Tekoälypalvelimien GPU- ja prosessorikorttien tehonsyötössä voi esiintyä nanosekuntien mittaisia jännitehäiriöitä, jotka aiheuttavat toimintahäiriöitä ja pahimmillaan laitevikoja. Texas Instrumentsin uusi AD-muunnin tekee nämä häiriöt näkyviksi ja mahdollistaa niiden jatkuvan etävalvonnan.

Uutuuden keskeinen etu on mahdollisuus valvoa palvelinkorttien tehonsyöttöä jatkuvasti ja etänä. Datakeskusoperaattori voi seurata esimerkiksi GPU-, CPU-, muistien ja virtalähteiden syöttöjännitteitä sekä selvittää, missä ja milloin häiriö on tapahtunut.

TI esitteli uuden AD-muuntimen Open Compute Projectin Global Summit -tapahtumassa. Samalla yhtiö julkisti 800 voltin sähkönjakeluun tarkoitetun LMI800PS-hot-swap-ohjaimen sekä BAW-tekniikkaan perustuvan LMK6B-kello-oskillaattorin.

Gallium­nitridi eli GaN haastaa perinteiset piitransistorit myös pienjännitteisessä tehonmuunnoksessa. Renesas on esitellyt ensimmäiset 100 voltin GaN-tehotransistorinsa, jotka on suunnattu erityisesti tekoälypalvelimien 48 voltin tehonsyöttöön, robotiikkaan ja teollisuuden moottoriohjaukseen.

Tekoälypalvelimien kasvava tehontarve muuttaa datakeskusten sähkönjakelua. Perinteisten pienjännitejärjestelmien rinnalle ovat nousemassa 800 voltin tasajännitejakelu ja 48 voltin väylät, joissa tehonmuunnoksen hyötysuhteella ja tehotiheydellä on entistä suurempi merkitys.

Renesas vastaa kehitykseen neljällä uudella 100 voltin E-mode-tyyppisellä GaN-transistorilla. Normaalisti johtamattomat komponentit on suunniteltu korvaamaan perinteisiä piipohjaisia MOSFET-transistoreita erityisesti DC-DC-muuntimissa ja muissa nopeasti kytkevissä tehoasteissa.

GaN:n keskeinen etu on mahdollisuus nostaa kytkentätaajuutta. Datakeskusten tehonmuuntimet toimivat nykyisin tyypillisesti muutaman sadan kilohertsin taajuuksilla, mutta uudet arkkitehtuurit mahdollistavat siirtymisen megahertsiluokkaan. Suurempi taajuus pienentää tarvittavien kelojen ja muiden passiivikomponenttien kokoa, jolloin samaan tilaan voidaan sijoittaa enemmän tehoa.

AI-palvelimien kasvava tehontarve ajaa datakeskuksia kohti 800 voltin tasajännitejakelua. Korkeampi jännite ei kuitenkaan Schneider Electricin tutkimuksen mukaan välttämättä kasvata valokaaririskiä. Räkkitason simulaatiossa vikavirta nousi hetkellisesti 36 kiloampeeriin, mutta piikki vaimeni niin nopeasti, että valokaaren energia jäi selvästi turvarajan alapuolelle.

Tekoälykiihdyttimien tehonkulutuksen kasvu nostaa datakeskusten räkkien tehotiheyksiä nopeasti. Schneider Electricin mukaan 800 VDC -jakelusta on tämän vuoksi muodostumassa käytännöllinen ratkaisu megawattiluokan räkkien virransyöttöön. Samalla korkeampi tasajännite on nostanut esiin kysymyksen valokaaririskistä.

Schneider selvitti asiaa kahdessa erilaisessa 800 VDC -arkkitehtuurissa: räkin vieressä sijaitsevaan tehoyksikköön eli sidecariin perustuvassa ratkaisussa sekä keskitetyssä järjestelmässä, jossa 800 voltin tasajännite jaetaan laitostasolta useille IT-räkeille. Tutkimuksen mukaan ratkaisevaa ei ole pelkästään jännitetaso, vaan järjestelmän rakenne, kondensaattorien sijoittelu sekä se, kuinka nopeasti vikavirta pystytään rajoittamaan.

Simulaatiossa vikavirta nousi noin 36 kiloampeeriin jo noin 90 mikrosekunnissa. Näin suuri lukema kuulostaa rajulta, mutta piikki jäi erittäin lyhyeksi: kondensaattorien purkautumisesta syntynyt vikavirta vaimeni alle puolessa millisekunnissa. Suurin osa alkuvaiheen vikavirrasta tuli IT-räkin teholähteiden tulokondensaattoreista.

Juuri tämä erottaa 800 VDC -järjestelmän perinteisestä vaihtovirtajakelusta. Tehoelektroniikkamuuntimilla syötetyssä järjestelmässä vikavirta voi ensin nousta erittäin nopeasti kondensaattorien purkautuessa ja sen jälkeen laskea yhtä nopeasti. Valokaaririskiä ei siksi voida päätellä pelkästä vikavirran huippuarvosta.

Perinteisessä AC-järjestelmässä vikavirta käyttäytyy ennustettavammin lähteen impedanssin perusteella. 800 VDC -järjestelmässä muuntimien ohjaus, kondensaattorit ja suojaus määräävät sekä vikavirran suuruuden että sen keston. Ensimmäiset millisekunnit ovat valokaaren energian kannalta ratkaisevia.

Schneider laski räkkitason valokaarienergian sekä NFPA 70E -standardin konservatiivisella kondensaattorimenetelmällä että tarkemmalla ETAP-mallinnuksella. Jo konservatiivinen laskenta antoi tuloksen, joka oli 96 prosenttia alle 1,2 cal/cm²:n viitearvon. ETAP-mallinnuksessa energia jäi noin 99 prosenttia tämän rajan alapuolelle.

Keskitetty 800 VDC -jakelu on vaikeampi tapaus. Schneiderin tutkimassa järjestelmässä yksi 4,8 megawatin tehonsyöttö syötti 24:ää 600 kilowatin IT-räkkiä. Energiaa järjestelmään toivat sekä AC/DC-muunnin että akkuvarasto, minkä lisäksi räkkien kondensaattorit voivat vikatilanteessa syöttää energiaa takaisin jakeluverkkoon.

Tässä arkkitehtuurissa tärkeäksi nousee takasyötön estäminen. Räkkien teholähteisiin sijoitetut käänteissulkulaitteet estävät muiden räkkien kondensaattoreihin varastoitunutta energiaa ruokkimasta vikaa. Simulaatioissa tämä pienensi selvästi vikavirran huippua ja rajasi vian lähellä oleviin energialähteisiin.

Schneiderin johtopäätös on, ettei 800 voltin tasajännite itsessään merkitse suurempaa valokaaririskiä. Tutkituissa arkkitehtuureissa riski voitiin pitää hallittuna, ja oikein toteutetussa järjestelmässä valokaaren vaikutusenergia voi olla samalla tasolla tai alempi kuin tavanomaisessa vaihtovirtajakelussa.

Valokaari pitää katkaista millisekunneissa

Valokaaren vaarallisuus riippuu voimakkaasti sen kestosta, mikä selviää yllä olevasta kuvasta. Schneider Electricin laskelman mukaan 1,2 cal/cm²:n turvaraja ylittyy 20 kiloampeerin vikavirralla noin 10 millisekunnissa, mutta suuremmilla virroilla huomattavasti nopeammin. Tutkitussa 800 VDC -räkissä 36 kiloampeerin virtapiikki vaimeni alle puolessa millisekunnissa.

Historically, AC won the famous 19th-century “War of the Currents” because simple transformers made it easy to step up voltages for long-distance travel.

However, Musk points out that the fundamental nature of how we generate, store, and consume power has flipped.

Today, solar panels natively generate DC, lithium-ion batteries natively store DC, and modern electronics—ranging from electric vehicles and smartphones to massive artificial intelligence data centers—run entirely on DC power.

The transition to a DC-dominated landscape is increasingly supported by advanced solid-state power electronics, which can now shift DC voltages up and down with incredible efficiency.

In our current AC-based grid, electricity undergoes constant, wasteful conversion steps, losing energy as heat every time it switches between formats.

Musk suggests that cutting out these conversions in local microgrids will drastically boost efficiency.

While fully rewiring global infrastructure remains a massive challenge, long-distance transmission is already evolving; utilities increasingly rely on High-Voltage Direct Current (HVDC) lines to move renewable energy over thousands of miles with lower line losses than traditional AC lines.

#ElonMusk #EnergyGrid #DirectCurrent #RenewableEnergy #PowerElectronics #SolarPower #ElectricVehicles #TechTrends

https://www.facebook.com/share/p/19ExzySC2r/

Generatiivisen tekoälyn nopea yleistyminen ja erityisesti paljon tehoa kuluttavat GPU:t ovat nostaneet palvelinkaappien tehontarpeen muutamassa vuodessa kymmenistä kilowateista reilusti yli 100 kilowattiin. Lähitulevaisuudessa puhutaan jo megawatin tehotasoista per räkki.

NVIDIAn tuore blogi tiivistää haasteen suoraan: näin suurta tehoa ei ole enää käytännöllistä eikä taloudellista siirtää perinteisillä matalajännitteisillä ratkaisuilla, kuten 54 voltin tasajännitteellä.

Ratkaisuksi ala on siirtymässä 800 voltin DC-väylään seuraavan sukupolven tekoälydatakeskuksissa eli niin sanotuissa “AI-tehtaissa”. Korkeampi jännite parantaa merkittävästi energiansiirron hyötysuhdetta, vähentää kaapelihäviöitä ja yksinkertaistaa räkkiarkkitehtuuria. Samalla se mahdollistaa skaalautuvan ja kustannustehokkaan infrastruktuurin.

Miksi 800 V DC yleistyy

Korkeampi jännite tuo useita selkeitä etuja.

Ensinnäkin tehotiheys kasvaa ja skaalautuvuus paranee. Kun jännite nostetaan 48 voltista 800 volttiin, 400 kilowatin kaapin virta putoaa noin 8333 ampeerista 500 ampeeriin.

Toiseksi energiatehokkuus paranee. Suurempi jännite pienentää resistiivisiä I²R-häviöitä siirrossa, mikä vähentää hukkatehoa ja lämpökuormaa. Samalla vältetään useita perinteisiä AC-DC- ja DC-DC-muunnosvaiheita, jolloin kokonaisjärjestelmän hyötysuhde paranee yli viisi prosenttia.

Kolmanneksi kustannukset ja monimutkaisuus vähenevät. Pienempi virta tarkoittaa ohuempia johtimia ja pienempiä liittimiä. Kuparin käyttö voi vähentyä jopa 45 prosenttia megawatin räkkiä kohden. Tämä säästää materiaaleissa ja vapauttaa tilaa laskentateholle.

Lisäksi luotettavuus ja lämpöhallinta paranevat. Yksinkertaisempi rakenne vähentää vikapisteitä ja pienentää lämpökuormaa, mikä helpottaa jäähdytystä tiheissä tekoälyjärjestelmissä.

Muunnos 800 voltista alemmille tasoille

Räkkitasolla 800 voltin jännite pitää muuntaa alemmille tasoille, kuten 54 tai 12 volttiin. Tähän on useita teknologisia vaihtoehtoja.

Piikarbidi eli SiC kestää hyvin 1200 voltin jännitteet ja tarjoaa riittävän marginaalin 800 voltin järjestelmiin. Sen heikkous on kuitenkin rajallinen kytkentätaajuus, mikä rajoittaa tehotiheyttä verrattuna galliumnitridiin perustuviiin ratkaisuihin.

Perinteiset GaN-komponentit toimivat tyypillisesti 650–750 voltin alueella, mikä ei riitä suoraan 800 voltin väylään. Tätä on yritetty kiertää kytkemällä useita komponentteja sarjaan. Ratkaisu toimii, mutta lisää ohjauksen monimutkaisuutta, kasvattaa häviöitä ja heikentää luotettavuutta.

Kolmas vaihtoehto on korkean jännitteen GaN. Power Integrationsin PowiGaN-teknologia mahdollistaa jopa 1700 voltin GaN-komponentit. Näin vältetään sarjakytkennät, yksinkertaistetaan rakennetta ja saavutetaan korkea kytkentätaajuus sekä hyvä hyötysuhde.

PowiGaN yksinkertaistaa arkkitehtuuria

1250 voltin PowiGaN-kaskodikytkimellä suunnittelijat voivat käyttää noin 1000 voltin huippujännitteitä ja silti säilyttää teollisuudessa tyypillisen 80 prosentin derating-marginaalin.

1700 voltin versio mahdollistaa vielä korkeammat käyttöjännitteet ilman hyötysuhteen heikkenemistä.

Luotettavuus ja apujännitelähteet

Power Integrationsin GaN-transistorit ovat niin sanottuja depletion mode -komponentteja, jotka toteutetaan kaskodikytkennällä piipohjaisen MOSFETin kanssa. Näin saadaan normaalisti suljettu rakenne, joka on turvallinen järjestelmätasolla.

Rakenteen etuna on myös se, ettei tarvita p-tyypin GaN-hilaa. Tämä vähentää kynnysjännitteen driftia ja parantaa pitkän aikavälin luotettavuutta suurilla jännitteillä.

Apujännitelähteisiin yhtiö tarjoaa 1700 voltin PowiGaN InnoMux2-EP -piirin, joka sisältää sekä tehotransistorin että ohjauksen ja suojaukset. Komponentti toimii SR-ZVS-tilassa ja saavuttaa yli 90 prosentin hyötysuhteen 12 voltin lähdössä nestekylmennetyissä, tuulettimettomissa 800 voltin arkkitehtuureissa.

Yhteenveto

800 voltin DC-väylä on nopeasti nousemassa standardiksi tekoälydatakeskuksissa. Se ratkaisee tehonsiirron pullonkauloja, parantaa hyötysuhdetta ja pienentää infrastruktuurin kustannuksia.

Nykyisissä datakeskuksissa käytetty perinteinen 54 voltin sisäinen virranjakelu on suunniteltu kilowattiluokan räkeille eikä tue tekoälytehtaiden pian käyttöönotettavia megawattiluokan räkkejä. Sen vuoksi 800 VDC:n jakelujärjestelmät integroidulla energianvarastoinnilla ovat pian välttämättömiä.

Laaja-alaisista datakeskustekniikkaa toimivista sähköalan jättiyritys Schneider Electric kehittää amerikkalaisen Nvidia-piirivalmistajan kanssa 800 VDC:n tehoyksiköitä, jotka pystyvät syöttämään virtaa jopa 1,2 MW:n tehoisille räkeille ja tukemaan seuraavan sukupolven NVIDIA-grafiikkaprosessoreita ja kiihdytettyjä laskentainfrastruktuureja.

’’Laskentatiheyden kasvaessa on siirtyminen 800 VDC:hen luonnollinen kehityskulku, ja Schneider Electric on sitoutunut auttamaan asiakkaita tekemään tämän siirtymän turvallisesti ja luotettavasti, sanoo Jim Simonelli, CTO, Data Centers, Schneider Electric.

Schneider tehoyksikkö muuntaa datakeskukseen tulevan vaihtovirran 800 VDC:ksi, mikä mahdollistaa megawattiluokan räkkien virransyötön turvallisesti, tehokkaasti ja minimaalisilla materiaali- ja infrastruktuurikustannuksilla.

To meet that perpetual need for HPC demands innovation and the ability to adapt and scale for tomorrow using modular power. The Vicor architectures are flexible enough to be adapted in a wide variety of high-performance computing scenarios. Leveraging an FPA, Vicor minimizes the “last inch” resistances by combining lateral power delivery and vertical power delivery.