วิธีการจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับศูนย์ข้อมูล AI

การเพิ่มขึ้นของปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการเรียนรู้ของเครื่องจักร (ML) ได้สร้างความต้องการพลังงานที่ไม่เคยมีมาก่อน ศูนย์ข้อมูลรุ่นถัดไปต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในเรื่องการจัดการพลังงาน ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือ โซลูชันพลังงานแบบดั้งเดิมมักจะประสบปัญหาในการตอบสนองความต้องการเหล่านี้ในระดับส่วนประกอบแต่ละชิ้นและการจัดการโครงสร้างพื้นฐานของศูนย์ข้อมูลโดยรวม (DCIM) ส่วนประกอบพลังงานขั้นสูงและโซลูชันการตรวจสอบแบบบูรณาการเสนอแนวทางที่ครอบคลุมในการรับมือกับความท้าทายเหล่านี้

ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีตัวเก็บประจุไฮบริดช่วยให้จ่ายพลังงานได้เสถียร โซลูชันความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำพิเศษ (ESR) ช่วยให้มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานกระแสสูง ตัวต้านทานความแม่นยำสูงช่วยให้ตรวจสอบพลังงานได้อย่างแม่นยำ และการรวมระบบแบบไร้สายช่วยให้จัดการพลังงานได้อย่างครอบคลุม

บทความนี้จะเจาะลึกว่าองค์ประกอบเหล่านี้ช่วยสร้างระบบการจัดการพลังงานที่แข็งแกร่งสำหรับศูนย์ข้อมูลที่ขับเคลื่อนด้วย AI ได้อย่างไร จากนั้นจะแนะนำโซลูชัน Panasonic ทั่วทั้งสี่พื้นที่ และสาธิตการใช้งานในสภาพแวดล้อมศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่

การส่งพลังงานของศูนย์ข้อมูลที่มีประสิทธิภาพด้วยเทคโนโลยีตัวเก็บประจุไฮบริด

ศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ต้องมีการแปลงพลังงานอย่างมาก โดยทั่วไปแล้วจะต้องใช้พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับหลายร้อยกิโลโวลต์ (kVAC) จากระบบไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกลดระดับลงมาเหลือหลายสิบ kVAC เพื่อจ่ายไฟไปทั่วทั้งวิทยาเขตศูนย์ข้อมูล จากนั้นจะแปลงต่อไปเป็น VAC หลายร้อยเครื่องเพื่อจ่ายไปยังชั้นวางอุปกรณ์

ที่ระดับแร็ค ไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง โดยทั่วไปคือ 12 โวลต์ DC (VDC) เพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ไอที ในที่สุด ภายในอุปกรณ์แต่ละชิ้น แรงดันไฟฟ้าจะถูกควบคุมเพิ่มเติมให้อยู่ในระดับที่ต่ำกว่า โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 1.1 ถึง 5 โวลต์ เพื่อจ่ายไฟให้กับส่วนประกอบแต่ละชิ้น เช่น โปรเซสเซอร์และโมดูลหน่วยความจำ

แต่ละขั้นตอนในห่วงโซ่นี้ก่อให้เกิดการสูญเสียซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของศูนย์ข้อมูล นักออกแบบพลังงานของศูนย์ข้อมูลกำลังนำเอาสารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปกว้าง (WBG) มาใช้เพิ่มมากขึ้น เช่น แกเลียมไนไตรด์ (GaN) เพื่อลดการสูญเสียในขั้นตอนการแปลงในภายหลัง เมื่อเทียบกับซิลิกอนแบบดั้งเดิม (Si) อุปกรณ์ WBG มีประสิทธิภาพเหนือกว่าผ่านความถี่การสลับที่สูงขึ้นและการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่ใช้ในตัวแปลงเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายด้านการออกแบบที่สำคัญ โดยทั่วไปแล้วนักออกแบบระบบไฟฟ้าจะมีเทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่พิสูจน์แล้วอยู่ 2 แบบ ได้แก่ ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ธรรมดา ซึ่งมีกระแสไฟรั่วไหลต่ำ และตัวเก็บประจุโพลีเมอร์ ซึ่งมีลักษณะ ESR ที่โดดเด่น ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ไฮบริด ซีรีย์ EEH ของ Panasonic (รูปที่ 1) เป็นตัวเลือกที่สามซึ่งรวมจุดแข็งของทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อลดการสูญเสียอันเนื่องมาจากกระแสไฟรั่วและ ESR

รูปที่ 1: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ไฮบริดซีรีย์ EEH ช่วยลดการสูญเสียอันเนื่องมาจากกระแสไฟรั่วและ ESR (ที่มาของภาพ: Panasonic)

ตัวเก็บประจุไฮบริดมีข้อได้เปรียบอื่นๆ อีกหลายประการ รวมถึงความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นผ่านโหมดความล้มเหลวของวงจรเปิด และการรักษาความจุที่กำหนดที่ความถี่ที่สูงกว่าการออกแบบดั้งเดิมมาก ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบธรรมดาเริ่มสูญเสียประสิทธิภาพที่ความถี่หลายสิบกิโลเฮิรตซ์ (kHz) ตัวเก็บประจุแบบไฮบริดยังคงประสิทธิภาพเดิมที่ความถี่ใกล้เคียง 1 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ความถี่การทำงานที่สูงขึ้นนี้ช่วยให้สามารถใช้ตัวเก็บประจุขนาดเล็กลงได้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างตัวแปลงที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น หรือเพิ่มพื้นที่ว่างบนบอร์ดเพื่อใช้ฟีเจอร์เพิ่มเติมได้

ตัวอย่างตัวเก็บประจุไฮบริดทั่วไปคือ EEH-ZA1V151P อุปกรณ์ 35V ขนาด 150 ไมโครฟารัด (µF) นี้ รักษาค่า ESR ต่ำที่ 27 มิลลิโอห์ม (mΩ) มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -55°C ถึงประมาณ +105°C และมีอายุการใช้งาน 10,000 ชั่วโมง (hrs) (ที่อุณหภูมิ +105°C) ความเหมาะสมสำหรับการใช้งานในศูนย์ข้อมูลได้รับการสาธิตในบอร์ดประเมินผลตัวแปลง DC/DC EVLMG1-250WLLC จาก STMicroelectronics (รูปที่ 2) บอร์ด GaN นี้มีความหนาแน่นของพลังงาน 20 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว (W/in.³) โดยมีประสิทธิภาพดีกว่า 92%

รูปที่ 2: บอร์ดประเมินผลตัวแปลง GaN DC/DC EVLMG1-250WLLC สาธิตศักยภาพของตัวเก็บประจุไฮบริด (ที่มาของภาพ: STMicroelectronics)

ข้อดีของตัวเก็บประจุ ESR ต่ำสำหรับการจ่ายพลังงานที่มีความหนาแน่นสูงและประสิทธิภาพสูง

แนวโน้มการใช้ตัวแปลง DC/DC ความหนาแน่นพลังงานสูงในศูนย์ข้อมูลก่อให้เกิดความท้าทายที่ไม่เหมือนใครในการจัดการความร้อน ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นและพื้นที่ส่วนประกอบที่ลดลงอาจทำให้อุณหภูมิการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การลด ESR ของตัวเก็บประจุให้เหลือน้อยที่สุดอาจช่วยแก้ไขปัญหาความร้อนเหล่านี้ได้บางส่วน เนื่องจากการสูญเสียพลังงานเป็นไปตามความสัมพันธ์ I²R การลดความต้านทานโดยตรงจะลดการสูญเสียพลังงาน และส่งผลให้เกิดความร้อนตามมา ซึ่งทำให้ ESR ต่ำมีความสำคัญต่อการรักษาอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัยในดีไซน์กะทัดรัด

อย่างไรก็ตาม แม้แต่ตัวเก็บประจุที่มีประสิทธิภาพสูงสุดก็อาจประสบกับอุณหภูมิในการทำงานที่สูงได้เนื่องจากสภาพแวดล้อม ดังนั้น การเลือกตัวเก็บประจุที่สามารถทนต่อความร้อนของศูนย์ข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูงจึงเป็นสิ่งสำคัญ รูปที่ 3 แสดงแผนภูมิการเลือกที่คำนึงถึงอุณหภูมิในการทำงานและปัจจัยอื่นๆ

รูปที่ 3: แสดงคำแนะนำในการเลือกตัวเก็บประจุไฮบริดโดยพิจารณาจากกระแสริปเปิล ความจุ ขนาด และอุณหภูมิในการทำงาน (ที่มาของภาพ: Panasonic)

ในขณะที่ความถี่การสลับสูงที่เปิดใช้งานโดยเทคโนโลยี GaN อนุญาตให้มีแพ็คเกจขนาดเล็กลง เทคโนโลยีตัวเก็บประจุจะต้องรักษาความจุที่เพียงพอเพื่อจัดการกับกระแสริปเปิลสูง ด้วยตัวเลือกความจุตั้งแต่ 47μF ถึง 680μF และความสามารถในการจัดการสูงถึง 2.3 แอมแปร์ (A) ที่ 100kHz ตัวเก็บประจุไฮบริด ซีรีย์ EEH-ZL จึง สามารถรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้ นอกจากนี้ยังรับประกันการทำงานถึง +135°C และ ESR ต่ำถึง 14mΩ

ตัวอย่างคือตัวเก็บประจุ EEH-ZL1E681P 680μF ที่มี ESR 14mΩ และเส้นผ่านศูนย์กลางแพ็คเกจ 10.0mm

การใช้ตัวต้านทานความแม่นยำสูงเพื่อการตรวจสอบพลังงานที่แม่นยำ

ตัวแปลง DC/DC ในแอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูลต้องมีข้อเสนอแนะที่แม่นยำสูงเพื่อการควบคุมพลังงาน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะในการออกแบบที่ใช้ GaN โดยที่แม้แต่ข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยในการตอบรับรอบหน้าที่ก็อาจส่งผลให้เกิดแรงดันไฟเกินหรือกระแสเกินที่อันตรายได้

แม้ว่าจะมีเทคโนโลยีการตรวจจับกระแสไฟฟ้าหลายประเภทอยู่ก็ตาม แต่ตัวต้านทานแบบชันท์ยังคงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับสภาพแวดล้อมที่จำกัดด้านพื้นที่ของเซิร์ฟเวอร์ โครงสร้างพื้นฐานด้านการจัดเก็บ และแหล่งจ่ายไฟ อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นพลังงานสูงของการออกแบบสมัยใหม่สร้างความท้าทายที่สำคัญในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าต้านทาน

ความท้าทายหลักอยู่ที่เสถียรภาพทางความร้อน ค่าความต้านทานอาจเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากเมื่ออุณหภูมิในการทำงานเปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดได้ ซึ่งทำให้ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานความร้อน (TCR) กลายเป็นข้อกำหนดที่สำคัญ จะต้องต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อรักษาความแม่นยำในการวัดในช่วงอุณหภูมิที่กว้างซึ่งพบในการดำเนินการของศูนย์ข้อมูล

ตัวต้านทาน ซีรีย์ Panasonic ERA-8P (รูปที่ 4) ช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ด้วยคุณสมบัติเชิงนวัตกรรมต่างๆ มากมาย

• TCR ต่ำพิเศษที่ ±15 × 10^-6 ต่อองศาเคลวิน (K) ทำได้โดยการประมวลผลฟิล์มบางที่แม่นยำ
• ชั้นเรซินอ่อนที่ช่วยลดความเครียดใต้ตัวต้านทานซึ่งช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าวจากการบัดกรีระหว่างการเปลี่ยนแปลงความร้อน
• พื้นผิวอะลูมินาเรียบลื่นที่ช่วยให้มีความหนาของฟิล์มต้านทานสม่ำเสมอ
• รูปแบบความต้านทานแบบยาวและละเอียดที่กระจายความเข้มข้นของกระแสไฟฟ้า ทำให้ทนทานต่อไฟฟ้าสถิต (ESD) ชั้นนำในอุตสาหกรรม

รูปที่ 4: ตัวต้านทานซีรีย์ ERA-8P ได้รับการออกแบบมาให้มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง (ที่มาของภาพ: Panasonic)

ERA-8PEB1004V สาธิตความสามารถเหล่านี้พร้อมด้วยคุณลักษณะที่เหมาะสมกับการตรวจสอบพลังงานของศูนย์ข้อมูล:

• แรงดันไฟฟ้าองค์ประกอบจำกัดสูง 500V ที่ 1MΩ สำหรับการตรวจสอบรางไฟฟ้าแรงดันสูง
• กำลังไฟ 0.25W ช่วยให้สูญเสียพลังงานน้อยที่สุด
• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -40°C ถึง +125°C
• ความต้านทานการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) ที่เหนือกว่าสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่มีกำลังไฟสูง

การใช้ Wi-Fi เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

DCIM เผชิญกับความซับซ้อนที่เพิ่มมากขึ้น เนื่องจากเวิร์กโหลด AI ขับเคลื่อนการปรับใช้เซิร์ฟเวอร์ ระบบจัดเก็บข้อมูล และหน่วยจ่ายไฟเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่การตรวจสอบการใช้พลังงานในระบบต่างๆ เหล่านี้จะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ แต่โซลูชันการตรวจสอบแบบใช้สายแบบดั้งเดิมนั้นมีต้นทุน ความซับซ้อน และความท้าทายในการจัดการสายเคเบิล ซึ่งจะเพิ่มมากขึ้นเมื่อขนาดของสิ่งอำนวยความสะดวกเพิ่มมากขึ้น

การตรวจสอบแบบไร้สายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ยอดเยี่ยมสำหรับความท้าทายเหล่านี้ ช่วยให้สามารถจัดการพลังงานแบบเรียลไทม์ผ่านการวัดแรงดันไฟ กระแสไฟ และอุณหภูมิ โดยไม่ต้องเดินสายเคเบิลเพิ่มเติม แนวทางนี้ให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นในการปรับขนาดการทำงานขึ้นหรือลงโดยไม่ต้องกำหนดค่าการเชื่อมต่อทางกายภาพใหม่

อย่างไรก็ตาม โมดูลไร้สายสำหรับแอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูลจะต้องตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดหลายประการ:

• รักษาการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งกีดขวางและแหล่งรบกวนที่อาจเกิดขึ้นมากมาย
• ลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อรักษาประสิทธิภาพโดยรวม
• พอดีกับรูปแบบที่กะทัดรัดเพื่อบูรณาการกับอุปกรณ์ที่มีอยู่
• มอบคุณสมบัติความปลอดภัยที่แข็งแกร่งเพื่อปกป้องข้อมูลศูนย์ข้อมูลที่ละเอียดอ่อน

โมดูล Wi-Fi Panasonic ENW-49A01A3EF PAN9320 (รูปที่ 5) ช่วยจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ผ่านชุดคุณสมบัติที่ครอบคลุม:

• การทำงานความถี่ 2.4GHz ให้ความสามารถในการทะลุทะลวงผ่านอุปสรรคของศูนย์ข้อมูลได้อย่างเหนือชั้น พร้อมทั้งยังคงรับประกันความเข้ากันได้ที่กว้างขวางด้วยการรองรับมาตรฐาน 802.11b/g/n
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะคงอยู่ผ่านการใช้พลังงานขั้นต่ำในการส่ง (Tx) ที่ 430 มิลลิแอมแปร์ (mA) สำหรับการส่ง (Tx) และ 160mA สำหรับการรับ (Rx) ในโหมด 802.11b
• การออกแบบติดตั้งบนพื้นผิวแบบกะทัดรัด ขนาด 29.0mm × 13.5mm × 2.66mm ช่วยให้การบูรณาการเป็นเรื่องง่าย
• คุณสมบัติการรักษาความปลอดภัยในตัว เช่น TLS/SSL, HTTPS และ WPA2 ช่วยปกป้องข้อมูลที่ละเอียดอ่อน

ความสามารถเหล่านี้ทำให้ผู้ปฏิบัติงานศูนย์ข้อมูลสามารถนำการตรวจสอบพลังงานอย่างครอบคลุมมาใช้ได้ ในขณะที่ลดค่าใช้จ่ายทางกายภาพและการดำเนินงานที่มักเกิดขึ้นกับระบบดังกล่าวให้เหลือน้อยที่สุด

รูปที่ 5: ENW-49A01A3EF มอบโซลูชัน Wi-Fi 2.4GHz ที่ครอบคลุมสำหรับ DCIM ที่มีประสิทธิภาพ (แหล่งที่มาของภาพ: Panasonic)

บทสรุป

ความต้องการเวิร์กโหลด AI ต้องมีการพิจารณาโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานใหม่ ตั้งแต่การเลือกส่วนประกอบแต่ละชิ้นไปจนถึงระบบการตรวจสอบทั่วทั้งโรงงาน กลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวเก็บประจุไฮบริด เทคโนโลยี ESR ต่ำพิเศษ ตัวต้านทานแม่นยำ และการเชื่อมต่อแบบไร้สายของ Panasonic ช่วยให้ผู้ปฏิบัติการศูนย์ข้อมูลมีเครื่องมือที่จำเป็นในการสร้างและบำรุงรักษาระบบพลังงานที่มีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้ เพื่อรองรับแอปพลิเคชัน AI รุ่นถัดไป