ส่วนประกอบสมัยใหม่ที่ขับเคลื่อนระบบ HPC ของศูนย์ข้อมูลท่ามกลาง AI Binge

การเติบโตของศูนย์ข้อมูลที่เพิ่มสูงขึ้นท่ามกลางการขยายตัวของบริการคลาวด์และความต้องการแอปพลิเคชันปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งขึ้นอยู่กับโมเดลภาษาขนาดใหญ่ (LLM) ที่ต้องการความสามารถในการปรับขนาดที่มากขึ้นและทรัพยากรการประมวลผลที่กว้างขวาง ซึ่งต้องการระบบคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง (HPC) รุ่นใหม่ที่ใช้ส่วนประกอบพิเศษที่สามารถตอบสนองความต้องการการจัดการพลังงานและความร้อนที่สูงขึ้น

ความต้องการของศูนย์ข้อมูลเหล่านี้กำลังผลักดันความต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ได้รับการปรับปรุง เช่น ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ตัวต้านทาน และตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งนักออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ HPC ขั้นสูงเพิ่มเติมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดสำหรับการประมวลผล AI ข้อกำหนดเหล่านี้รวมถึงประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และการจัดการระบายความร้อนที่สูงขึ้นในอุปกรณ์ขนาดเล็ก ซึ่งช่วยให้ศูนย์ข้อมูลสามารถปรับพื้นที่ให้เหมาะสมและเพิ่มความหนาแน่นของระบบได้

ตัวเหนี่ยวนำที่ดีขึ้นเพื่อประสิทธิภาพของ HPC ที่สูงขึ้น

KEMET ซึ่งเป็นบริษัทในเครือขอ งYAGEO Group ได้พัฒนาตัวเหนี่ยวนำคอมโพสิตโลหะเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวแปลง DC-DC และอุปกรณ์จ่ายไฟโหมดสวิตช์ ด้วยการใช้ประโยชน์จากประวัติศาสตร์ในฐานะซัพพลายเออร์ส่วนประกอบแม่เหล็กแบบกำหนดเองให้กับ OEM จึงได้พัฒนาสายผลิตภัณฑ์ที่เป็นมาตรฐานของ METCOM MPX ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่มีความทนทานต่อกระแสไฟฟ้าชั่วคราวและอุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น ให้ทั้งการออกแบบที่กะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง

ตัวเหนี่ยวนำพลังงานคอมโพสิตโลหะของ METCOM มีแกนความหนาแน่นฟลักซ์อิ่มตัวสูง ซึ่งช่วยให้สนามแม่เหล็กแรงกว่าตัวเหนี่ยวนำเฟอร์ไรต์แบบดั้งเดิม ให้ค่าความเหนี่ยวนำที่เสถียรตลอดทุกอุณหภูมิและกระแส

ที่แกนประกอบด้วยผงโลหะที่มีการเคลือบแบบแยกตัวและสารยึดเกาะ ช่วงตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ได้สำหรับซีรีส์ MPX คือ 0.1 ถึง 100 µH

โครงสร้างตัวเหนี่ยวนำทำให้เหมาะสำหรับตัวควบคุม DC เป็น DC จำนวนมาก เช่น การใช้ลวดทองแดงกลมที่ล้อมรอบด้วยผงคอมโพสิตโลหะแม่เหล็กเผาผนึก (รูปที่ 1) ที่สามารถเหนี่ยวนำให้คงที่ตลอดทั้งอุณหภูมิและกระแสได้ เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบโหมดสวิตช์สำหรับเซิร์ฟเวอร์ศูนย์ข้อมูล เป็นตัวเหนี่ยวนำกำลัง ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง EMI และอุปกรณ์ควบคุมจุดโหลด

รูปที่ 1: ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าของ METCOM MPX ใช้ลวดทองแดงกลมที่ล้อมรอบด้วยผงคอมโพสิตโลหะแม่เหล็กเผา (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

ผงโลหะทำให้สามารถผลิตตัวเหนี่ยวนำที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าและทนความร้อนได้ดีกว่า ทำให้ใช้พื้นที่น้อยกว่าตัวเหนี่ยวนำแกนเฟอร์ไรต์ พร้อมด้วยประโยชน์เพิ่มเติมของการสูญเสียแกนกลางที่ต่ำกว่าที่ความถี่สูงกว่าและการปราบปรามการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เหนือกว่า ทั้งหมดนี้รวมกันเพื่อมอบความทนทานและความน่าเชื่อถือที่มากขึ้น ซึ่งจำเป็นต่อการดำเนินงานของศูนย์ข้อมูล

ด้วยตัวเลือกมากกว่า 200 รายการในซีรีส์ MPX (รูปที่ 2) Kemet จึงมีทางเลือกที่หลากหลาย ขนาดที่มีได้แก่ 5 x 5 mm., 6 x 6 mm., 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm และ 22 x 22 mm

รูปที่ 2: ฟอร์มแฟคเตอร์ METCOM MPX (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

MPX1D0630L3R3 ตัวอย่างเช่น เป็นส่วนประกอบขนาด 6 x 6 mm ที่มีความสูง 3.0 mm ซึ่งช่วยให้ใช้พื้นที่บน PCB ที่อัดแน่นอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง ด้วยอุณหภูมิการทำงานที่กำหนดสูงถึง +155°C ความเหนี่ยวนำ 3.30 µH ±20% และความต้านทาน DC สูงสุดที่ 30.3 mΩ จึงเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อม HPC ที่การรักษาความสมบูรณ์ของพลังงาน การจัดการระบายความร้อน และประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญ

สำหรับข้อกำหนดที่เข้มงวดน้อยลงหรือมีความหลากหลายมากขึ้นเกี่ยวกับค่าตัวเหนี่ยวนำ MPX1D0530L220 มาในขนาดฐาน 5 x 5 mm ที่มีความสูง 3.0 mm ที่มีความเหนี่ยวนำ 22.00µH ด้วยความต้านทาน DC สูงสุดที่สูงขึ้นที่ 341.2 mΩ จึงเหมาะสมในกรณีที่การจัดการระบายความร้อนไม่มีปัญหาน้อยกว่า หรือมีระบบระบายความร้อนเพิ่มเติมในตัว

ตัวเลือกตัวเหนี่ยวนำลูกปัดพลังงานสำหรับ HPC

ในระบบ HPC ที่จำเป็นต้องมีการกำจัด EMI ทั่วไปโดยไม่ต้องมีความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวด Pulse Electronics ซึ่งเป็นบริษัท YAGEO อีกแห่งหนึ่งได้นำเสนอ ตัวเหนี่ยวนำพาวเวอร์บีด ปรับให้เหมาะสมสำหรับการจัดการกระแสสูง โดยได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับใช้กับโทโพโลยีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าทรานส์อินดักเตอร์ (TLVR)

ตัวเหนี่ยวนำพาวเวอร์บีดแกนเฟอร์ไรต์เป็นทางเลือกแทนตัวเหนี่ยวนำแบบพันรอบโทรอยด์ซึ่งโดยทั่วไปจะจ่ายไฟให้กับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลักเดสก์ท็อป (VCORE) ผลิตด้วยเทคโนโลยีทะลุผ่านรู (THT) ตัวเหนี่ยวนำพาวเวอร์บีดให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่าและมีความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดมากขึ้น ทำให้ตัวควบคุม VCORE มีขนาดที่เล็กลง

แทนที่จะกระแสกระเพื่อมที่ส่ายของตัวเหนี่ยวนำแบบขดลวดเดี่ยวในโทโพโลยีบั๊กแบบหลายเฟส ตัวเหนี่ยวนำแบบพาวเวอร์บีดยอมให้มีการเหนี่ยวนำน้อยกว่า และทำให้สามารถออกแบบการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วที่ตัวแปลงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลด (การตอบสนองชั่วคราว) กับความเสถียร ของลูปควบคุม

โดยทั่วไปส่วนประกอบของ Pulse Electronics จะใช้ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลายเฟสกระแสสูงซึ่งจ่ายไฟให้กับโปรเซสเซอร์ โมดูลหน่วยความจำ และ ASICS และ FPGA กระแสสูงสำหรับเซิร์ฟเวอร์ การ์ดกราฟิก อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล และศูนย์ข้อมูล ตัวเหนี่ยวนำ TLVR แบบขดลวดคู่เหล่านี้มีจำหน่ายในขนาดตั้งแต่ 4 x 4 mm ถึง 13 x 13 mm โดยมีช่วงตัวเหนี่ยวนำตั้งแต่ 20 nH ถึง 1 µH

ชิ้นส่วนในฟอร์มแฟคเตอร์ซีรีส์ PAL6373.XXXHLT (รูปที่ 3) เช่น PGL6380.101HLT มีขนาด 12 x 6 mm ที่มีความเหนี่ยวนำตั้งแต่ 100 nH ถึง 200 nH อัตรากระแสไฟฟ้าอิ่มตัวตั้งแต่ 59 A ถึง 125 A จุดสูงสุด และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -40°C ถึง +125°C สร้างด้วยแกนเฟอร์ไรต์ที่ประกอบบนขดลวด 1T หรือ 2T โดยมีความต้านทาน DC (DCR) ต่ำมาก กระแสไฟพีคสูง และการสูญเสีย AC ต่ำ มีจำหน่ายทั้งแบบเฟสเดียว เฟสรวม และรุ่นตัวเหนี่ยวนำคู่

รูปที่ 3: ฟอร์มแฟคเตอร์ตัวเหนี่ยวนำลูกปัดซีรีส์ PAL6373.XXXHLT จาก Pulse Electronics (แหล่งรูปภาพ: Pulse Electronics)

สำหรับระบบ HPC ตัวเลือกระหว่างตัวเหนี่ยวนำพาวเวอร์บีดและประเภทคอมโพสิตโลหะจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของระบบ เช่น ความต้องการความเสถียรของการเหนี่ยวนำสูง ความต้านทานต่ออุณหภูมิ และการลดสัญญาณรบกวน ตัวเหนี่ยวนำ KEMET มอบประสิทธิภาพที่เสถียรในช่วงอุณหภูมิที่ขยายได้ถึง +180°C และโครงสร้างโลหะขึ้นรูปจะช่วยลดเสียงรบกวน ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ในระบบ HPC ที่ไวต่อเสียงรบกวน

ตัวเก็บประจุที่เสถียรและมีอายุการใช้งานยาวนาน

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าโซลิดโพลีเมอร์อะลูมิเนียมนำไฟฟ้า จาก KEMET ยังเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับความต้องการอันเข้มงวดของระบบ HPC ซึ่งประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ

แตกต่างจากตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคแบบ "เปียก" แบบดั้งเดิมที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า โพลีเมอร์แข็งในตัวเก็บประจุ KEMET มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ต่ำซึ่งมีความเสถียรตลอดอุณหภูมิ ความถี่ และอายุการใช้งาน

สามารถให้กระแสกระเพื่อมที่สูงกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าตัวเก็บประจุแบบเปียก ซึ่งอิเล็กโทรไลต์อาจแห้งและล้มเหลว อุปกรณ์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งมีความทนทานต่อการสั่นสะเทือนมากกว่าและได้รับการออกแบบให้มีเสถียรภาพมากขึ้น รักษาความจุไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความถี่สูง ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งอย่างรวดเร็ว

ตัวเก็บประจุ KEMET ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงโดยทั่วไปในระบบ HPC โดยไม่มีการสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ และรองรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์มาตรฐานเนื่องจากการรวมกันของโพลีเมอร์นำไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ได้รับการปรับปรุงและความทนทานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าโพลีเมอร์อะลูมิเนียมโซลิดสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมและความน่าเชื่อถือของระบบ HPC ได้อย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกอื่น

ออกแบบมาเพื่อให้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นและมีเสถียรภาพมากขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่หลากหลาย KEMET ซีรีส์ A768 ของตัวเก็บประจุแบบยึดพื้นผิว (รูปที่ 4) มีค่าตั้งแต่ 18 µF ถึง 1,200 µF และในแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 4 V_DC ถึง 80 V_DC ตัวอย่างเช่น A768MS108M1CLAE015 เป็นรุ่น 16 V, 1000 µF ที่มีอัตรา ESR ที่ 15 mOhm และช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -55°C ~ +125°C มีขนาดแผ่นรองลงจอด 0.406" L x 0.406" W (10.30 mm x 10.30 mm)

รูปที่ 4: ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมโพลีเมอร์ชนิดแข็งติดพื้นผิวซีรีส์ KEMET A768 (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

ตัวเก็บประจุเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาประสิทธิภาพในสภาวะความร้อนที่มีความต้องการสูง และมีเวอร์ชันที่ทนทานต่อการสั่นสะเทือนสูงถึง 30 กรัมสำหรับสภาพแวดล้อม HPC ซึ่งความเค้นเชิงกลหรือการเคลื่อนไหวอาจทำให้เกิดความไม่เสถียร

ตัวต้านทานชิปฟิล์มบาง

องค์ประกอบที่สำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับการออกแบบ HPC คือตัวต้านทานชิปที่เสริมอินเวอร์เตอร์กำลังและตัวเก็บประจุเพื่อป้องกันกระแสไฟไหลมากเกินไป และรับประกันความเสถียรและประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ในปี 2023 YAGEO Group ได้เปิดตัว ซีรีส์ NT ของตัวต้านทานชิปฟิล์มบางแทนทาลัมไนไตรด์ ออกแบบมาเพื่อรักษาประสิทธิภาพความสม่ำเสมอในระดับสูงในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ

การออกแบบฟิล์มกรองแสงในตัวเองของซีรีส์ NT จะสร้างชั้นกันซึมที่ป้องกันชั้นต้านทานเพื่อป้องกันความชื้นซึมผ่าน อุปกรณ์มีจำหน่ายในขนาดเคสตั้งแต่ 0402 ถึง 1206 โดยมีช่วงความต้านทาน 100 Ω ถึง 481 kΩ

ด้วยช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างตั้งแต่ -55°C ถึง +155°C ตัวต้านทาน NT ช่วยให้การกระจายพลังงานมีความเสถียรและการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทาน (TCR) อุณหภูมิต่ำที่ ±25, ±50 ppm/°C โดยมีพิกัดกำลัง 1/20 W ถึง 2/5 W

สรุป

ความต้องการของการประมวลผลแบบคลาวด์และ AI กำลังผลักดันความต้องการชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะเพื่อให้มีความน่าเชื่อถือสูงภายใต้สภาวะที่มีความต้องการ ผู้ออกแบบสามารถตอบสนองข้อกำหนดที่เปลี่ยนแปลงไปสำหรับระบบ HPC ด้วยตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุแบบพิเศษ เช่น ที่จัดหาโดย YAGEO Group และบริษัทในเครือ KEMET และ Pulse Electronics