ST è un partner chiave della nuova iniziativa di NVIDIA per la realizzazione di una distribuzione di potenza in-rack a 800 V.
Questo è possibile grazie alla scheda di alimentazione ad alta densità (power delivery board) di ST, che può gestire 12 kW in un fattore di forma ridotto. Grazie agli ultimi progressi delle tecnologie di alimentazione SiC e GaN di ST, all’IP di isolamento galvanico incorporato nel silicio STGAP e alle nostre avanzate capacità di elaborazione analogica e digitale, stiamo inaugurando una nuova era per i data center. Questo permette a NVIDIA di ridurre l’ingombro dei cavi e di migliorare l’efficienza. La nostra collaborazione significa che, per la prima volta nella storia dei data center, possiamo garantire un’erogazione continua di 12 kW di potenza con un’efficienza superiore al 98%, raggiungendo una densità di potenza superiore a 2.600 W/in3 con un’uscita a 50 V.
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Perché NVIDIA dovrebbe voler utilizzare 800 V?
Ripensare i modelli che non sono sostenibil
Per decenni, i tipici rack da 15 kW che si affidavano a un sistema di distribuzione dell’alimentazione a 48 V soddisfacevano comodamente le esigenze di processore, memoria e archiviazione dei data center. Tuttavia, con l’avvento dell’intelligenza artificiale e il massiccio boom delle applicazioni basate su GPU che richiedono architetture di grandi dimensioni per un parallelismo estremo, gli architetti di sistema devono ora affrontare la sfida di progettare rack con requisiti di potenza che vanno da 600 kW a 1 MW. Inutile dire che il drastico aumento del consumo energetico richiede un approccio completamente nuovo. Per erogare 600 kW a 48 V, ad esempio, occorrerebbe una corrente incredibile di 12.500 A! Basta immaginare le dimensioni dei cavi, delle sbarre e dei dissipatori necessari per gestire tutto questo per far svenire alcuni ingegneri.
Uno sguardo al futuro della distribuzione di energia
La soluzione più ovvia, quindi, è quella di aumentare la tensione di ingresso per ridurre la quantità di corrente richiesta. Ciò comporterebbe automaticamente una riduzione significativa dei cablaggi e delle sbarre. Inoltre, ridurrebbe il numero di passaggi di conversione tra la rete CA e la distribuzione di energia CC nel rack. In effetti, in un post che abbiamo pubblicato sul blog, NVIDIA ha calcolato che il passaggio a 800 V potrebbe contribuire a migliorare l’efficienza fino al 5% rispetto agli attuali sistemi a 54 V. In parole povere, dato che molti si concentrano sulla sostenibilità dei data center iperscala, il passaggio a 800 V è uno dei modi migliori per garantire un utilizzo significativamente migliore delle risorse, soddisfacendo al contempo le richieste tecnologiche di maggiore innovazione dell’intelligenza artificiale.
Tuttavia, la sfida consisteva nel trovare un sistema di distribuzione dell’alimentazione in grado di convertire 800 V in un bus intermedio, che avrebbe poi generato la tensione del core della GPU, il tutto inserendosi in un fattore di forma compatto adatto a un rack di server. Il vincolo di spazio è fondamentale in quanto i rack utilizzano una dimensione standard. Purtroppo, la vicinanza dei componenti aumenta le interferenze elettromagnetiche e i problemi di gestione del calore. Di conseguenza, gli ingegneri devono trovare una soluzione per affrontare questa tensione significativamente più alta mantenendo un fattore di forma compatto. Un sistema a 800 V richiede anche un sistema di isolamento e messa a terra completamente nuovo. Allo stesso modo, i meccanismi di protezione e la gestione dei guasti assumono una dimensione completamente nuova. NVIDIA si è rivolta a ST per trovare una soluzione.
Come può ST concentrare 12 kW in 2.600 W/in3?
Rispondere ai requisiti di hot-swap
Per affrontare le sfide inerenti a un rack da 800 V e rispettare i requisiti di hot-swap, i nostri team hanno progettato due parti: un circuito di protezione hot-swap e il convertitore di potenza. La prima parte utilizza i nostri dispositivi al carburo di silicio (SiC) da 1.200 V e i controllori BCD (BIPOLAR-CMOS-DMOS) con isolamento galvanico. Nel 2021, l’IEEE ha riconosciuto ST come inventore della famiglia di processi al silicio BCD. Il BCD consente di combinare elementi analogici e digitali per migliorare l’efficienza e l’affidabilità delle soluzioni di gestione dell’energia. Allo stesso modo, abbiamo quasi 30 anni di esperienza nei dispositivi al carburo di silicio e siamo stati i primi a diffonderli nelle auto elettriche. Pertanto, la nostra esperienza passata ci ha permesso di affrontare al meglio questa nuova sfida.
Ottimizzazione del lato primario
La seconda parte è il convertitore DC-DC, che converte gli 800 V del rack nei 50 V necessari per ogni server. Per fornire questa capacità in un ingombro così ridotto, ST utilizza transistor in nitruro di gallio (GaN) da 650 V in una configurazione a mezzo ponte impilato e driver di gate STGAP isolati galvanicamente sul lato primario. Grazie all’ampio bandgap di 3,4 eV e alla mobilità degli elettroni di 1.700 cm2/Vs, il GaN ha proprietà uniche che portano a una bassa capacità di uscita e a una minore resistenza di stato, il che lo rende un materiale eccellente quando si tratta di operazioni ad alta frequenza.
Ottimizzazione del lato secondario
Sul lato secondario, ST utilizza un transistor GaN a bassa tensione (100 V), gate driver a bassa tensione e il nostro microcontrollore STM32G4. Grazie ai suoi timer con una risoluzione inferiore a 200 picosecondi, l’MCU consente un controllo ad alte prestazioni compatibile con le frequenze di commutazione richieste per queste conversioni. Inoltre, grazie alle funzionalità dei suoi dispositivi STGAP, ST è in grado di isolare completamente i lati primario e secondario del convertitore di potenza, proteggendolo così dalle EMI e da altri eventi negativi che comprometterebbero un fattore di forma così piccolo.
Spezzare il trasformatore in due serie di quattro trasformatori più piccoli
Oltre a scegliere i componenti giusti, ST ha dovuto fare i conti anche con vincoli di spazio molto stretti, il che ha comportato il rimpicciolimento dei magneti. Soprattutto perché l’isolamento a 10 kV occupa lo spazio originariamente riservato al trasformatore. Per ridurre la magnetica utilizzata dal trasformatore, abbiamo diviso la tradizionale topologia a ponte intero più grande in due serie di quattro ponti interi di raddrizzamento più piccoli che lavorano in parallelo. Dividendo il trasformatore in due gruppi, possiamo ridurre il flusso magnetico nel nucleo e distribuire la dissipazione del calore. Inoltre, utilizzando questi quattro ponti interi più piccoli, possiamo utilizzare nuclei di ferrite più piccoli, riducendo così le dimensioni complessive del trasformatore.
Questo elenco di componenti e soluzioni topologiche testimonia la vasta esperienza che ST ha acquisito nel corso degli anni e che rende le nostre soluzioni uniche. Mentre molti sono costretti a rifornirsi di questi componenti da altri produttori, noi siamo in grado di offrire una soluzione olistica interna, che contribuisce in modo significativo all’ottimizzazione. Questa nuova architettura di distribuzione dell’alimentazione a 800 V evidenzia anche l’importanza fondamentale dei package compatti con induttanza parassita ridotta al minimo e raffreddamento a doppio lato. Infatti, dispositivi con imballaggi grandi e non ottimizzati renderebbero impossibile un fattore di forma così piccolo. Tuttavia, poiché ST si sforza costantemente di offrire i suoi dispositivi nei pacchetti più piccoli, siamo un partner chiave di NVIDIA.
Guardare al quadro generale
L’industria sta esplorando modi per creare infrastrutture di IA su scala iperscala più efficienti, ma non tutti stanno adottando lo stesso percorso. Per esempio, alcuni stanno esplorando i sistemi a ±400 V. Grazie alla nostra esperienza e al nostro portafoglio, possiamo riutilizzare facilmente il nostro lavoro sui convertitori di potenza e adattarlo a diversi requisiti di potenza. In sostanza, ST può già servire tutte le aziende che cercano di migliorare l’efficienza e la sostenibilità dei loro data center AI.
L’annuncio e la collaborazione di NVIDIA sono significativi. NVIDIA ha già approvato il nostro proof of concept e ora lavoreremo per produrre le schede da testare. Questa pietra miliare evidenzia come la collaborazione possa trasformare il panorama dei data center e apportare efficienze inimmaginabili fino a pochi anni fa. L’architettura HVDC a 800 V di NVIDIA e la scheda di distribuzione dell’energia di ST rappresentano una nuova era per i data center.
