ה- Power delivery networks (PDN) הן הבסיס של כל מערכת חשמל. עם העלייה בדרישות ההספק של מערכות, ה-PDNs הרגילים מצויים תחת לחץ עצום לספק את הביצועים הדרושים. ישנן שתי דרכים עיקריות לשיפור ההשפעה שיש ל- PDN על ביצועי מערכת החשמל בכל הנוגע לאובדן חשמל וניהול תרמי. האפשרות הראשונה היא להפחית את התנגדות ה-PDN באמצעות כבלים גדולים, מחברים ומוליכי חשמל עבים יותר בלוח האם; האפשרות השנייה היא להגביר את המתח של ה- PDN כדי להפחית את הזרם שלו לאספקת חשמל נתונה, מה שמאפשר להקטין את גדלי הכבלים, המחברים, מוליכי הנחושת של לוח האם כמו גם הגודל, העלות והמשקל הקשורים אליהם.
במשך שנים רבות מהנדסים השתמשו באפשרות האחת להשתמש באקוסיסטם הגדול שנבנה במשך שנים רבות עבור ממירי AC חד פאזי וממירי DC-DC 12 volt ווסתים. סיבות אחרות כוללות היעדר ביצועים של טופולוגיות ממירי DC-DC שיכולות להמיר באופן יעיל מתח גבוה יותר ל- PoL (נקודת עומס) באופן ישיר והעלות הגבוהה יותר המשויכת לממירי ווסתי מתח גבוה יותר אלה.
אולם, עיצובי חשמל מודרניים של זמננו, משתנים מהאפשרות האחת לאפשרות השנייה תוך הגברת המתח של ה- PDN. המניע לכך הוא העלייה הניכרת בעומס המערכת ככל שהביצועים גבוהים יותר ומתווספות תכונות חדשות. בהקשר של מרכזי נתונים, ההוספה של בינה מלאכותית (AI), לימוד מכונה ולמידה עמוקה, גרמה ל- rack power לנסוק ביותר מ- 200% לטווח של 20kW; ה- server racks של מחשבי-על מתקרבים כעת ל- 100kW ויותר.
עליות הספק אלה גורמות למהנדסי מערכות להעריך מחדש את מכלול ה- PDN שלהם, החל מהפצת ההספק ל- racks, חלוקת ההספק בתוך ה- rack ואף את ה- PDNs ב- server blades בשל הזרם הרב ביותר ב- CPUs ומעבדי AI. כאשר הספק ה- rack היה ברמה של 5kW, הנורמה היתה AC חד פאזי ל- rack. לאחר מכן ה- AC הוסב ל- 12 volts לחלוקה ל- server blades. ברמה של 5kW, זרם ה- PDN היה 416 amps (5kW/12V) וחלוקת ההספק הושגה באמצעות כבלי gauge כבדים.
הסתגלות לדרישות חשמל חדשות עבור יישומים מתקדמים
בעוד שכוח המעבד החל לגדול באופן דרמטי במהלך מסגרת הזמן של 2015, ה- rack power עלה לרמה של 12kW, כך ש- 12V PDN 1000 amps היה צריך להיות מנוהל בתוך ה- rack. ה- OCP (Open Compute Project), בו חברות רוב חברות הענן, השרתים וה- CPU, המשיך לפתח את תכנון ה- 12V rack שלו תוך מעבר מכבלים ל- bus bars והפצה של AC חד-פאזי מרובים לממירי 12V בתוך ה- rack, על מנת לצמצם את המרחק וההתנגדות של ה- PDN מה- server blades. השינוי המשמעותי מהאספקה הקודמת של rack power היה בכך שה- AC החד-פאזי נשען על ה- phases הפרטניים של הזנת תלת-פאזי ל-rack, בשל הכוח הרב יותר שלהם.
חברות שיש להן את היכולת לייצר בנות racks ופתרונות מרכז נתונים משלהם, החלו לעבור לאספקה של 48V. שינוי זה צמצם את בעיית המתח הגבוה של PDN ל- 250 amps עבור 12kW rack, אך לצד זאת זה הוביל לאתגרים חדשים בהמרת ה- blade power.
בזמן ש- rack power נכנס לטווח של 20kW ויותר, העיצוב של server rack PDN ממשיך להתפתח למרות האקוסיסטם הגדול של 12V של ווסתי מתח ורכיבי סחורות זולים ממקורות רבים.
הניסיונות לשמור על הסטטוס קוו של מערכות מורשת 12V הינם יצירתיים ומתרחשים בחזיתות רבות, אך השילוב של AI למרכזי נתונים עם מעבדי >500 – 1000 amps steady-state וזרמי שיא המתקרבים ל- 2000 amps הופכים את ה- PDNs מבוססי V12 לכמעט בלתי אפשריים. העיקר ב- AI זה הביצועים ו- PDNs של V12 מגבילים ביצועים ותחרותיות.
בניסיון לתת מענה לאתגרים הרבים הקשורים ל- high power racks, קונסורציום ה- OCP מפתח את עיצוב ה- rack שלו כך שיתאים ל- 48V PDN.
אימוץ מהיר של 48V ביישומי מחשוב
המעבר מהפצה של V12 ל- V48 מפחית את דרישות זרם הכניסה בפקטור של 4 (P = V • I) ומקטין אובדן ב- x16 (I2R = אובדן חשמל). עם המעבר להפצה של V48 בשווקי הרכב וה- G5, תאורת LED ושווקי תצוגה עם מגוון יישומים תעשייתיים שונים, האקוסיסטם של ממירי כוח V48 מתרחב במהירות. המעבר ל- V48 הוא הגיוני מבחינה עסקית וכיום למהנדסים יש מספר גדל של אפשרויות למנף מערכות V12 ו- V48. אולם לא כל הטופולוגיות והארכיטקטורות של ממירי V48 הן זהות. האבחנה בביצועים נפוצה יותר בשוק ממירי V48 וזה משהו שיש לשקול באופן זהיר.
בזמן שביצועים גבוהים ויעילות החשמל מצויים בראש רשימת הדרישות ל- high-power racks ומרכזי נתונים, ישנן מספר חברות שעוברות ל- AC תלת-פאזי ל- V48, להפצה ל- blades. לחלופין, ניתן להשתמש בהפצת DC במתח גבוה (ב- V380, שמקורם בהזנה בתלת פאזי מתוקנת) בתוך ה- rack, וישנן גם מספר חברות HPC (High-Performance Computing) שעושות שימוש ב- HVDC PDNs עבור racks של עד kW100.
בעוד שה- PDNs המספקים ל- blades משנים ל- V48, נדרש שינוי בהמרת הכוח על ה- blade. זהו תחום שינוי מרתק משום שהוא כולל הצגת חלופות רבות מבחינת הארכיטקטורה, הטופולוגיה והמארז של הווסתים וממירי ה- DC-DC.
החשיבות של טופולוגיות וארכיטקטורות חשמל ב- HPC (High-Performance Computing)
השימוש ב- V48 חדש בהקשר של יישום שרת מרכז נתונים אך הוא נפוץ ביישומי תקשורת רבים כגון נתבים ומתגי רשת. זאת בשל השימוש במערכות סוללות גיבוי עופרת חומצה –ve 48V נטענות לאספקת חשמל לציוד הטלקום.
הארכיטקטורה הנפוצה ששימשה בדרך כלל מערכות אלה נקראה בשם Intermediate Bus Architecture (IBA). ה- IBA כללה ממיר bus לא מווסת ומבודד להמרת ה- –ve 48V ל- V12+ שלאחר מכן הוזן לבנק של ווסתי multiphase buck כדי להתמודד עם ההמרה של V12 וויסות נקודות העומס. מספר חברות מחשוב ענן וחברות HPC העתיקו את הארכיטקטורה הזו בהתחלה למערכות ה- V48 שלהן, אולם לאחר שההספק גדל והמתח ב- PoL פחת ל- V1 ואף פחות, החל חיפוש אחר ארכיטקטורות וטופולוגיות חלופיות.
ארכיטקטורת מערכות חשמל, טופולוגיות מיתוג ומארזים הינם קריטיים לעיצוב בעל ביצועים גבוהים וצפיפות גבוהה המניע את כלל הביצועים של מערכת החשמל. בעוד שזרמי מעבדי CPU ו- AI גדלים, הצפיפות של פתרון אספקת הכוח ב- PoL הופכת להיות המרכיב הקריטי ביותר ביישומי AI, וזאת בשל התנגדות ה- PDN בין הווסת וה- PoL.
כללי המשחק השתנו
למעבדי ה- AI החדישים ביותר יש steady state currents של כמעט amps 1000, עם זרמי שיא המגיעים ל- amps 1500 – 2000. עם התנגדות PDN אופיינית מפלט של multiphase buck regulator קונבנציונלי למעבד של 200 – 400µΩ, התוצאה תהיה אובדן חשמל ב- PCB של 200W – 400W steady state (P = I2R), גבוה מדיי עבור כל מערכת. אובדן ה- PDN הוא כיום הפקטור הדומיננטי בחישוב היעילות והביצועים של תכנון ווסת DC-DC. משום זו בעיה הקשורה לנקודת העומס ולא ניתן לחשוב על מתח גבוה יותר (מתחי PoL יורדים במהירות כדי לאפשר לשמור על חוק מור), הפתרון היחיד הזמין בפני המהנדסים הוא להקטין את ההתנגדות של ה- PDN. ניתן להשיג זאת על ידי מיקום הווסת קרוב ככל הניתן למעבד. במקרה של multiphase buck regulator, נדרשים לרוב 16-24 phases כדי לתמוך בזרם מעבד ה- AI הגבוה. לא מדובר בפתרון צפיפות זרם גבוהה ואין בכך כדי לפתור את בעיית אובדן הכוח של ה- PDN.
מה זה Factorized Power Architecture ומה השינוי שזה מאפשר?
חלופה ל- IBA היא Factorized Power Architecture (FPA) תוצרת Vicor, המורכבת משלב pre-regulation (PRM) שלאחריו שלב voltage-transformation (VTM). ארכיטקטורה קניינית זו מאפשרת לבצע אופטימיזציה של הביצועים של כל אחד מהשלבים, כאשר ה- PRM מבצע פונקציית ויסות לא מבודדת (V48 הוא SELV), כאשר הקלט של V48 מווסת באופן הדוק ומותיר את ההמרה למתח ה- PoL הרצוי ל- VTM, שהוא ממיר ביחס קבוע (1/K factor).
ארכיטקטורה זו והביצועים שלה הופכים לטובים עוד יותר בזכות הטופולוגיות הקנייניות המשמשות במהלך ה- PRM וה- VTM. ה- PRM משתמש בטופולוגיית zero-voltage switching topology בעוד ה- ה- VTM משתמש בטופולוגיה הקניינית resonant high-frequency Sine Amplitude Converter (SAC), כאשר גם ה- zero-voltage וגם ה- zero-current מתהפכים כדי לבצע את המרת המתח למתח של ה- PoL. ה- VTM הוא במהותו שנאי DC-DC שהמתח בו משתנה כלפי מטה (מכונה ה- K factor) ביחס של 1/K והזרם מוכפל על ידי ה- K factor. ה- VTM, הידוע גם כמכפיל זרם, הוא ממיר PoL בעל צפיפות זרם גבוהה מאוד (מוצרים חדשים משיגים כיום 2A/mm2) וניתן למקם אותו קרוב מאוד למעבד בזכות טכנולוגיית מארז ה- ChiP החדשנית שלו ומגנטיקה משולבת בצפיפות גבוהה.
רמת צפיפות זרם גבוהה זו מאפשרת למהנדסים גמישות רבה. בהינתן זרם המעבד, מהנדסים יכולים לבחור בין אספקת חשמל ורטיקלית או לטרלית. באספקת כוח לטרלית (LPD), מכפיל הזרם ממוקם לצד מעבד ה- AI או על אותו substrate או ישירות על לוח האם בטווח של מילימטרים ספורים, וזה מאפשר הקטנת ה- ה- PDN לבערך 50µΩ. לביצועים גבוהים עוד יותר, אספקת הכוח הוורטיקלית (VPD) מעבירה את מכפיל הזרם ישר מתחת למעבד במקום שבו ה- output power pin map שלו תואם את ה- pitch והמיקום של ה- processor power pins המצויות מעל. מארז מכפיל הזרם משלב גם high-frequency bulk capacitors שממוקמים בדרך כלל מתחת למעבד על גבי לוח האם או ה- substrate. סוג זה של מכפיל זרם מכונה GCM (Geared Current Multiplier). VPD מפחית את ההתנגדות של ה- PDN לנתון המדהים של 5 עד 7µΩ, מה שמאפשר למעבדי AI לממש את יכולות הביצועים האמיתיות שלהם.
בעיות חשמל מורכבות בקנה מידה כזה דורשות גישת עיצוב הוליסטית כדי לספק תוצאות ביצועים גבוהים מוצלחים. נדרשים חידושים בתחומי הארכיטקטורה, הטופולוגיות והמארזים, כדי לפתור את אתגרי החשמל המורכבים ביותר שהיקפם רק גדל. Higher voltage PDNs מסוגלים לפתור אתגרים רבים הקשורים לביצועי מערכת. אולם, ללא צפיפות גבוהה ויעילות גבוהה, הפתרונות למהנדסי מערכות לא יהיו מיטביים באופן מלא. הקטנת התנגדות PDN היא המפתח לפיצוח הדור הבא עבור HPC ומימוש ההבטחה הטמונה בתחום ה- AI.
השמות Vicor, PRM™, VTM™, ChiP™, FPA™ ו- SAC™ הינם סימנים מסחריים של תאגיד Vicor.
מערכת ההספק האידיאלית לנקודת עומס
כדי להשיג את נקודת העומס המיטבית של מערכת חשמל: 1) ווסת מספק יעילות מרבית כאשר Vin = Vout; 2) היעילות הופכת למרבית כאשר אספקת זרם גבוה מצויה הכי קרוב לנקודת העומס תוך מזעור אובדן I2R.
האינץ’ האחרון
על ידי התגברות על המכשולים שנכפים על מעבדי הספק גבוה בשל אספקת זרם גבוה דרך “האינץ’ האחרון” (last inch), הטכנולוגיה תוצרת Vicor לא רק משפרת ביצועים ומפשטת את עיצוב לוח האם. היא מאפשרת למעבדים להשיג רמות ביצועים שלא ניתן היה להשיג בעבר, כאשר אלו נחוצות כדי לממש את ההבטחה ליישומים בעלי ביצועים גבוהים, כמו בינה מלאכותית (AI).
אספקת חשמל לטרלית
אספקת זרם גבוה מסופקת באמצעות מודולי MCM שניתן למקם אותם בסמוך למעבד או על לוח האם או על ה- processor substrate. מיקום על ה- substrate מקטין את אובדן ה- PDN ופחית את מספר סיכות ה- BGA ב- processor substrate הנדרשות לחשמל.
אספקת חשמל ורטיקלית
אספקת חשמל אנכית (Vertical Power Delivery – VPD) מבטלת עוד יותר אובדן הפצת חשמל וצריכת שטח לוח VR PCB. העיצוב של VPD דומה לפתרון ה- Vicor LPD, עם שילוב נוסף של קיבול עוקף במכפיל הזרם או במודול GCM.
