Es wird davon ausgegangen, dass die IT-Rack-Leistung in den nächsten zwei bis drei Jahren 1 MW übersteigen wird. Der Bedarf an einer höheren Leistungsdichte in KI-Servern hat zu einem Übergang von einem 48-V- oder 54-V-Bus zu einem DC-Bus mit einer höherer Spannung von 800 VDC geführt. Der Übergang zu 800 VDC bringt Herausforderungen bei der Erzielung einer hocheffizienten und hochleistungsfähigen Energieumwandlung auf Systemebene mit sich, bietet aber auch die Möglichkeit, die Stromversorgungsarchitektur in einem IT-Server-Rack zu überprüfen.

Der Wechsel auf 800 VDC verändert die Stromversorgungsarchitektur, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Eingang in das IT-Tray liegt jetzt bei 800 VDC. Hierfür wird eine Hot-Swap-Schaltung mit höherer Spannung benötigt, um den Einschaltstrom zu regeln und eine sichere Verbindung mit dem Bus mit höherer Spannung zu verwalten. Ein Zwischenbuswandler (Intermediate Bus Converter, IBC) mit hohem Wandlungsverhältnis auf der Stromverteilungsplatine wandelt Energie von 800 VDC in eine niedrigere Zwischenbusspannung um. Eine Isolierungsbarriere (mit verstärkter Isolierung) in diesem System könnte das Hochspannungssystem vom Niederspannungssystem trennen. Der Rest der Leistungsarchitektur würde ähnlich aussehen und wirken wie das Computing-Tray mit künstlicher Intelligenz (KI) mit 48 VDC, aber es gibt mehrere mögliche Variationen. Eine Option ist ein IBC mit 800 V bis 50 V, gefolgt von einem IBC mit 50 V bis 12,5 V oder 6,25 V.

Untersuchen wir nun anhand der skizzierten Stromversorgungsarchitektur die Ziele und Designkompromisse der Stromversorgung. Ein Ziel von Rechenzentrumsbetreibern besteht darin, eine hohe durchgehende Energieeffizienz bei der Energieumwandlung zu erreichen. Dadurch werden die Betriebskosten im Rechenzentrum sowie die durch Leistungsverluste (und der damit verbundene Heizungs-, Lüftungs- und Klimanlagenaufwand) erzeugte Wärme reduziert und der Energieverbrauch auf die beabsichtigte Last konzentriert: den KI-Beschleuniger oder -Prozessor und andere unterstützende Schaltungen. Weitere wichtige Ziele sind geringe Größe (begrenzter Platinenplatz für Leistungskomponenten), hohe Zuverlässigkeit und die Erfüllung von Leistungsanforderungen, wie zum Beispiel das Einschwingverhalten von mehrphasigen Spannungsreglern und Point-of-Load-Abwärtswandlern.

Ein Ansatz besteht darin, der vorhandenen 48V-Stromversorgungsarchitektur einfach einen IBC mit höherer Spannung hinzuzufügen. Abbildung 2 zeigt diese dreistufige Umwandlungsarchitektur. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der Großteil der vorhandenen auf 48 V basierten Stromversorgungsarchitektur wiederverwendet werden kann. Betrachten wir einen IBC mit höherer Spannung und einem Spannungswandlungsverhältnis von 16 zu 1 (d. h. einen 48-V-Ausgang). Wenn Sie annehmen, dass die Spitzenwirkungsgrade des IBCs mit 16-zu-1-Verhältnis 98 %, des IBCs mit 4-zu-1-Verhältnis 98 % (von 50 V bis 12,5 V) und des mehrphasigen Spannungsreglers 92 % (von 12,5 V bis zum Kern) betragen, beträgt der gesamte Spitzenwirkungsgrad der Wandlung ca. 88 % von 800 V DC bis hinab zum Kern.

Ein wichtiger Punkt ist die Auswahl der richtigen Spannung für den Zwischenbus. Eine weitere Architektur ähnlich Abbildung 2 besteht darin, den 50-V- bis 12,5-V-IBC (Verhältnis 4 zu 1) durch einen 50-V- bis 6,25-V-IBC (Verhältnis 8 zu 1) zu ersetzen. Der Wirkungsgrad des 4-zu-1-IBCs, jetzt 8-zu-1-Verhältnis, würde geringfügig abnehmen (ca. 97,5 % Spitzenwert), aber die 6,25-V-Eingangsspannungsreglerstufe könnte einen Anstieg des Wirkungsgrads auf einen Spitzenwert von 92,5 % aufweisen. Der Gesamtwirkungsgrad könnte bei ca. 88 % Spitzenwert ähnlich sein. Der Vorteil einer niedrigeren Eingangsspannung der Spannungsreglerstufe besteht in der Möglichkeit, mit einer höheren Frequenz zu schalten, wodurch die Größe verringert, die Einschwingleistung verbessert und die rückseitige Montage (vertikale Stromversorgung oder VPD) ermöglicht wird.

Sie fragen sich vielleicht, warum drei Wandlungsstufen erforderlich sind und ob es möglich ist, die Stromversorgungsarchitektur auf zwei Stufen zu vereinfachen: einen hocheffizienten IBC mit hohem Wandlungsverhältnis und einen hochleistungsfähigen Spannungsregler. Sehen wir uns diese Architektur an, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Durch Entfernen des 4-zu-1-IBC konnte der 64-zu-1-IBC 12,5 V direkt mit einem angenommenen Spitzenwirkungsgrad von 97 % ausgeben. Der Gesamtspitzenwirkungsgrad von 800 V bis hinab zur Kernschiene beträgt dann etwa 89 %. Bei dieser vereinfachten Analyse werden auch die Verluste auf der Leiterplatte vom Ausgang des 64-zu-1-IBC zum Spannungsreglereingang nicht berücksichtigt. Wenn es jedoch möglich ist, diese Verluste auf <1 % zu halten, bleibt der Gesamtwirkungsgrad gleich. Dieser Ansatz könnte Größe und Kosten minimieren, da der 4-zu-1-IBC nicht mehr erforderlich ist. Abbildung 4 veranschaulicht diese potenzielle Architektur.

Abbildung 5 erweitert diese zweistufige Wandlungsarchitektur und zeigt die Implementierung des 64-zu-1-IBC mit einem Spannungswandlungsverhältnis von 128 zu 1 mit einem 6,25-V-Ausgang. Wie bereits erwähnt, ermöglicht eine geringere Eingangsspannung zum mehrphasigen Spannungsregler einen höheren Frequenzbetrieb, eine geringere Größe und eine vertikale Stromversorgung (Montage auf der Rückseite der Platine unter dem Prozessor). Der geschätzte Spitzenwirkungsgrad von 800 V zum Kern beträgt 89 % (ohne Platinenverluste).

Die Herausforderung bei dieser Architektur besteht darin, dass der Ausgangsstrom des 128-zu-1-IBC sehr groß ist. Angenommen, die vom System gelieferte Leistung beträgt etwa 15 kW bis 20 kW, gäbe es 2,4 kA bis 3,2 kA bei 6,25 V. Um die Verluste der Platine auf dem 6,25-V-Zwischenbus auf einem angemessenen Niveau (<1 oder 2 %) zu halten, sind sehr große Leiter (z. B. Sammelschienen) erforderlich. Der 128-zu-1-IBC benötigt wahrscheinlich mehrere parallel geschaltete Module, um den beabsichtigten Strompegel zu erreichen.

Fazit

Der Übergang zu einer 800-VDC-Stromversorgungsarchitektur stößt eine erneuerte Diskussion darüber an, wie die Stromversorgung angesichts der Kompromisse des Gesamtwirkungsgrads, der Größe und der Leistung entworfen werden kann. Das TI-Portfolio von Galliumnitrid-Leistungsstufen (GaN), digitalen Leistungsreglern, mehrphasigen Abwärtsspannungsreglern, DC/DC-Point-of-Load-Abwärtswandlern, Hot-Swap-Controllern, isolierten Gate-Treibern und mehr ermöglicht der Branche, diesen Übergang zu bewältigen.

Durch die Zusammenarbeit mit NVIDIA bei der Entwicklung von Power-Management-Lösungen, die eine 800-VDC-Architektur unterstützen, gewährleisten die Produkte von TI eine zuverlässige Spannungswandlung an kritischen Punkten der Stromversorgungsarchitektur und bieten die Schutz-, Überwachungs- und Telemetriefunktionen, die für 48-V- und 800-V-Ökosysteme erforderlich sind. Gleichzeitig wird eine hocheffiziente und hochdichte Leistungswandlung vom Stromnetz zum KI-Beschleuniger-Gate ermöglicht. Erfahren Sie mehr über die Rechenzentrums- und Enterprise-Computing-Lösungen von TI.

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