Répondre aux exigences de l’IA avec des alimentations électriques SiC et GaN

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

L’essor de l’intelligence artificielle a nécessité une forte croissance de la puissance de traitement dans les centres de données. Comme le montre la Figure 1, Infineon prévoit que la consommation d’énergie d’un seul GPU augmentera exponentiellement, atteignant environ 2000 W d’ici 2030, avec un rack de serveur AI culminant à un incroyable >300 kW. Cela exige de nouveaux changements architecturaux dans les systèmes de distribution AC et DC des racks de centres de données, en se concentrant sur la réduction des pertes de puissance liées à la conversion et à la distribution, de la grille au cœur.

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La Figure 2 (à droite) montre un exemple de schéma d’une architecture d’alimentation de rack du projet Open Compute (OCP). Chaque étagère d’alimentation est alimentée par une entrée triphasée et contient plusieurs PSU ; chaque PSU est alimenté par une entrée monophasée. Le rack fournit une tension DC (par exemple, 50 V) au rail électrique, qui se connecte également aux étagères IT et batteries.

La tendance AI impose une évolution de la puissance pour le PSU, comme illustré à la Figure 2 (à gauche). Passons en revue chacune de ces générations de PSU avec un exemple de la topologie d’implémentation et des recommandations technologiques pour les dispositifs.

Tendances et évolution de la puissance pour les PSU des racks de serveur AI

PSU de première génération AI : puissance accrue avec la même architecture, ~5.5–8 kW, 50 V_out, 277 V_ac, monophasé

La génération actuelle de PSU pour serveurs AI suit principalement le standard ORv3-HPR. Dans ce standard, la plupart des spécifications, y compris les tensions d’entrée et de sortie et l’efficacité, restent inchangées par rapport à la spécification ORv3 3 kW précédente. Cependant, il a mis à jour les spécifications liées aux exigences des serveurs AI, telles que des besoins de puissance et de puissance de crête plus élevés (décrits plus loin) et la régulation de tension de sortie plus étroite en raison de la communication modifiée avec le rack BBU.

Bien que chaque étagère d’alimentation soit alimentée par une entrée triphasée (400–480 V_ac L-L), comme montré dans la Figure 2, l’entrée de chaque PSU est monophasée (230–277 V_ac). La Figure 3 montre un exemple d’implémentation de PSU de première génération pour répondre aux spécifications ORv3-HPR : l’étape PFC peut être constituée de deux totems intercalés utilisant des MOSFETs CoolSiC 650 V pour les jambes rapides et des MOSFETs CoolMOS SJ 600 V pour la jambe lente. L’étape DC-DC peut être un LLC en pont complet utilisant des transistors CoolGaN 650 V, tandis que le redresseur complet en pont secondaire et l’ORing sont réalisés avec des MOSFETs OptiMOS 80 V. Cet exemple montre également la phase intermédiaire, appelée “extension du temps de maintien” ou “baby boost”, dont la fonction est de réduire la taille des condensateurs de stockage. Il se compose d’un convertisseur élévateur déchargeant le condensateur de stockage d’énergie pour réguler la tension d’entrée LLC pendant l’événement de chute de cycle de ligne. Pendant le fonctionnement normal, ce convertisseur élévateur est inactif et est contourné par un MOSFET CoolMOS SJ 600 V à faible impédance.

Figure 1. Demandes d’électricité des CPUs serveur x86 et Arm comparées aux GPU et TPU. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

(a)

(b)

Figure 2. Évolution de la puissance pour les PSU de serveur AI (a). Exemple d’une architecture de rack serveur (b). Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Figure 3. Topologie PSU de première génération AI et exemple de technologie de dispositif. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Figure 4. Topologie PSU de deuxième génération AI et exemple de technologie de dispositif. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

PSUs de deuxième génération AI

Tension de ligne accrue pour une puissance plus élevée de ~8–12 kW, 50 V_out, 277–347 V_ac, monophasé

Avec l’augmentation de la puissance des racks à >300 kW, la densité des étagères d’alimentation devient cruciale. Par conséquent, la prochaine génération de PSU évolue vers 8 kW et jusqu’à 12 kW en architecture monophasée. Alors que la puissance par rack est plus élevée, le nombre de racks dans un centre de données peut, dans certains cas, être limité par la limite de courant de distribution et les pertes. Ainsi, dans une tentative de réduire le courant de distribution AC et les pertes, certains centres de données pourraient augmenter la tension de distribution AC au rack de 400/480 V à 600 V_ac L–L (triphasé), tandis que la tension d’entrée PSU passe de 230/277 V_ac à 347 V_ac (monophasé).

Bien que ce changement puisse bénéficier à l’exploitation et à l’utilisation du centre de données, il peut avoir un impact sur les normes de tension et la conception des PSU. À 347 V_ac d’entrée, la sortie PFC doit être réglée à ~575 V_dc, ce qui implique que des dispositifs de 650 V ne sont pas suffisants en matière de tension. La Figure 4 montre un exemple d’implémentation : le PFC à totem-pôle à deux niveaux discuté dans les PSU de première génération peut être remplacé par un PFC à totem-pôle volant à trois niveaux (PFC 3-L FCTP) utilisant des MOSFETs CoolSiC 400 V. Le concept de conversion de puissance multilevel permet d’utiliser une tension d’entrée plus élevée tout en utilisant des interrupteurs avec une cote de tension plus faible. Le PFC 3-L FCTP offre des avantages d’efficacité et de densité de puissance plus élevés grâce à l’effet de multiplication de fréquence des topologies multilevel. Surtout, l’optimisation de la technologie CoolSiC pour une tension de claquage inférieure de 400 V entraîne un excellent FoM par rapport aux dispositifs de référence CoolSiC 650 V et 750 V, comme montré dans la Figure 5 (à gauche). De plus, la Figure 5 (à droite) montre un graphique de la résistance en état de conduction selon la plage de température, montrant que R_DS(on) à 100°C pour le MOSFET CoolSiC 400 V est seulement 11 % supérieur à R_DS(on) à 25°C. Le bénéfice d’une telle caractéristique plate de R_DS(on) par rapport à Tj est qu’elle permet aux MOSFETs CoolSiC d’avoir un R_DS(on) typique plus élevé, ce qui entraîne de meilleures performances en termes de coûts et de commutation.

(a)

(b)

Figure 5. Amélioration des FoMs de commutation et résistance R_DS(on) stable en fonction de la température de jonction pour CoolSiC 400 V vs. 650 V et 750 V : figure de mérite (a), R_DS(on) vs. T_j (b). Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

La topologie LLC triphasée est un bon choix pour l’étape DC-DC, avec des MOSFETs CoolSiC 750 V pour les interrupteurs côté primaire et des MOSFETs OptiMOS 5 80 V pour le redresseur en pont complet secondaire et l’ORing. Cette solution peut délivrer une puissance plus élevée grâce à la troisième jambe de commutation à demi-pont, offrant une annulation des ondulations de courant de sortie et un partage de courant automatique grâce au couplage inhérent entre les trois demi-ponts de commutation.

PSUs de troisième génération AI

Architecture triphasée et distribution 400 V pour la puissance maximale d’environ 22 kW, 400 V_out, 480–600 Vac triphasé

Pour une augmentation supplémentaire de la puissance des racks, la troisième génération de PSU AI adoptera une architecture de rack plus disruptive, comme suit :

• Changement d’entrée de PSU de monophasé à triphasé pour améliorer la densité et le coût
• Augmentation de la tension de sortie PSU d’alimentation de l’étagère de 50 V à 400 V pour réduire le courant du rail électrique, les pertes et les coûts

La Figure 6 montre un exemple d’implémentation d’un PSU avec entrée triphasée et sortie 400 V avec des dispositifs et technologies recommandés. L’étape PFC est un convertisseur de Vienne, une topologie populaire pour les applications PFC triphasées. Son principal avantage est qu’il permet l’utilisation de dispositifs de 650 V grâce à ses tensions de bus réparties, utilisant deux fois le nombre de MOSFETs CoolSiC 650 V en série à l’arrière et de diodes CoolSiC 1200 V. Étant donné que la sortie PFC est un condensateur divisé, chaque tension de condensateur est de 430 V et alimente un convertisseur LLC en pont complet avec des transistors CoolGaN 650 V sur les côtés primaire et secondaire. Les deux étapes LLC sont connectées en série sur le côté primaire et en parallèle sur le côté secondaire pour alimenter le rail électrique de 400 V.

Figure 6. Topologie PSU de troisième génération AI et exemple de technologie de dispositif. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

En alternative, les deux MOSFETs CoolSiC 650 V en série peuvent être remplacés par l’interrupteur bidirectionnel CoolGaN (BDS) 650 V, qui est un véritable interrupteur bidirectionnel normalement-off monolithique. Cela signifie qu’un seul BDS CoolGaN peut remplacer quatre interrupteurs de puissance discrets pour le même R_DS(on) grâce à son utilisation extrêmement efficace de la taille de la puce en termes de R_DS(on)/mm².

Avantages des WBG pour les PSUs AI

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que CoolGaN, deviennent le choix optimal pour les PSU AI car ils offrent la meilleure efficacité à des fréquences de commutation plus élevées, permettant des convertisseurs à plus haute densité de puissance sans compromettre l’efficacité de conversion.

En plus de l’augmentation significative de la puissance nominale des PSU AI, le GPU consomme une puissance de crête plus élevée et génère de fortes transitoires de charge, comme montré dans la Figure 7. Par conséquent, la sortie de l’étape DC-DC doit être suffisamment dynamique alors que les overshoots et undershoots de tension doivent rester dans les limites spécifiées. La dynamique de sortie de l’étape DC-DC peut être augmentée en élevant la fréquence de commutation, augmentant ainsi la bande passante de la boucle de contrôle.

Figure 7. Puissance de crête demandée par les GPU AI. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Les dispositifs CoolGaN répondent facilement à cette exigence d’une fréquence de commutation plus élevée grâce à leur FoM supérieur et à leurs pertes de commutation les plus faibles parmi les dispositifs Si, SiC et GaN. Surtout dans les convertisseurs LLC à commutation douce, CoolGaN présente la plus faible charge du condensateur de sortie (Qoss), ce qui joue un rôle essentiel pour atteindre plus facilement le ZVS (zero voltage switching). Par conséquent, cela facilite un réglage plus précis du temps mort et élimine ainsi les pertes de conduction dues à un temps mort inutile.

 PFC Totem-Pole à Capacité Volante 3-L

Le PFC totem-pôle à capacité volante à trois niveaux (3-L FCTP PFC) utilisant des MOSFETs CoolSiC 400 V permet non seulement d’augmenter la tension d’entrée AC comme discuté dans la section 2.2, mais offre également des avantages de densité et d’efficacité plus élevés grâce à l’excellent chiffre de mérite (FoM) comparé aux dispositifs de référence CoolSiC 650 V et 750 V. Une conception d’inducteur optimisée (taille, matériau et enroulement) et le choix de R_DS(on) dans une topologie 3L avec des pertes de commutation réduites aident à atteindre une courbe d’efficacité plate avec un rendement maximal >99.3 % et une efficacité à pleine charge >99.15 %, comme montré dans la Figure 8.

Figure 8. Comparaison de l’efficacité : 3-L FCTP PFC vs. 2-L TP PFC. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Résultats

La course pour déployer de nouvelles technologies afin de répondre aux exigences des applications AI dans les centres de données a déjà commencé, entraînant une augmentation de la demande en puissance des racks et des PSU. La demande de puissance pour les PSU AI passe de 3-5.5 kW à 8-12 kW monophasé et jusqu’à 22 kW triphasé. Cette demande défie les opérateurs de centres de données à optimiser l’efficacité et l’utilisation de l’espace des centres de données et de la puissance disponible. Répondre à ces défis mène à de nouvelles architectures de racks et configurations de distribution AC-DC, plaçant les conceptions basées sur CoolSiC et CoolGaN à l’avant-garde de la conception des PSU pour la meilleure efficacité et densité de puissance.

De plus, les nouveaux dispositifs WBG peuvent permettre le meilleur rapport coût-performance pour de nouvelles topologies, comme expliqué dans l’utilisation des MOSFETs CoolSiC 400 V dans le PFC totem-pôle à capacité volante à trois niveaux ou le CoolGaN BDS 650 V dans le PFC Vienne triphasé.

Enfin, le large portefeuille de technologies de dispositifs de puissance (Si, SiC et GaN) de Infineon et ses circuits intégrés de commande de porte optimisés soutiennent les plateformes et tendances actuelles et de prochaine génération avec une approche hybride. Cela exploite trois technologies, permettant à la conception de PSU d’atteindre la meilleure flexibilité et d’obtenir un compromis entre efficacité, densité de puissance et coûts système. De plus, Infineon est pionnier dans des avancées, telles que la première technologie de puissance GaN de 300 mm au monde, qui contribuera encore aux conceptions futuristes.

Cet article est initialement paru dans Bodo’s Power Systems [].