Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Procesory AI następnej generacji sięgają po zasilanie systemowe 48 V

ghost666 15 Aug 2021 15:36 747 0
  • Procesory - akceleratory sztucznej inteligencji wymagają ogromnych ilości energii, a niższa sprawność energetyczna odpowiada wzrostowi strat w całej sieci dystrybucji energii (PDN). Jak rozwiązać problemy związane z utrzymaniem wydajności i umożliwieniem wykonywania algorytmów AI wysokiej jakości? Robert Gendron, wiceprezes firmy Vicor wskazuje, że w centrach danych moc potrzebna do zasilenia pojedynczej szafy rack wzrosła o ponad 200%, do zakresu 20 kW, po dodaniu sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego i głębokiego uczenia do jej zadań. To skłoniło firmę Vicor do ponownej oceny swoich sieci PDN przy użyciu rozwiązań 48 V i chociaż przeprojektowanie rozwiązało problem wysokoprądowych sieci PDN, zaowocowało to nowymi wyzwaniami w zakresie konwersji energii.

    Procesory AI następnej generacji sięgają po zasilanie systemowe 48 V
    Rys.1. Zmiana wymagań dotyczących prądu szczytowego CPU/FPGA.


    Rosnące wymagania wobec PDN

    Dostarczanie mocy i wydajność energetyczna stały się największymi problemami w systemach obliczeniowych dużej skali (patrz rysunek 1). Wraz z pojawieniem się układów ASIC i procesorów graficznych przetwarzających złożone funkcje sztucznej inteligencji branża była świadkiem dramatycznego wzrostu zużycia energii przez procesory. Zapotrzebowanie na moc w szafach serwerowych również zwiększyło się proporcjonalnie do możliwości sztucznej inteligencji wykorzystywanej do uczenia na dużą skalę i wnioskowania we wdrożonych aplikacjach. W większości przypadków dostarczanie energii jest obecnie czynnikiem ograniczającym wydajność obliczeniową, ponieważ nowe procesory zużywają coraz więcej prądu. Optymalne dostarczanie mocy to nie tylko jej dystrybucja, ale także sprawność, rozmiar i koszt systemu zasilania, a także wydajność układu odprowadzania ciepła.

    W celu obsługi dużej ilości przetwarzania danych tradycyjne sieci PDN podlegają ogromnemu zapotrzebowaniu na energię, co ma wpływ na ich temperaturę i zarządzanie ciepłem. Przyjmowane są dwie opcje: zmniejszenie rezystancji poprzez wydłużenie kabli systemów PDN lub zwiększenie napięcia roboczego w celu zmniejszenia prądu. Aby sprostać ciągłemu wzrostowi mocy, nowoczesne projekty przyjmują drugą opcję, aby skuteczniej sprostać rygorystycznym wymaganiom w centrach danych. "Obecnie zapotrzebowanie na energię znacznie przewyższa możliwości tradycyjnej sieci dostaw energii" - powiedział Gendron - "Przejście na architekturę 48 V i przyjęcie bardziej innowacyjnych podejść do dostarczania zasilania to jedyny sposób na zapewnienie wysokiej wydajności zasilania, aby sprostać oszałamiającym wymaganiom AI/HPC".

    Gdy w 2015 roku moc procesorów zaczęła gwałtownie rosnąć, konsorcjum Open Compute Project (OCP), do którego należy najwięcej firm zajmujących się chmurami, serwerami i procesorami, kontynuowało ewolucję w konstrukcji szafy 12 V. Odpowiedzią było przestawienie się z kabli na szyny zbiorcze i wdrożenie większej liczby jednofazowych przetwornic prądu przemiennego 12 V wewnątrz szafy serwerowej, aby zminimalizować odległości w systemie PDN i polepszyć wsparcie dla serwerów typu blade. Główna zmiana polegała na tym, że jednofazowy prąd przemienny pochodził z poszczególnych faz trójfazowego zasilania szafy ze względu na zwiększony pobór mocy. Następnie, wprowadzenie systemów sztucznej inteligencji w centrach danych z procesorami o sumarycznym poborze od 500 A do 1000 A skłoniło niektóre firmy do przejścia na dystrybucję napięcia 48 V. Zmniejszyło to problem wysokoprądowego PDN, redukując pobór do zaledwie 250 A dla szafy o mocy 12 kW, ale wprowadziło nowe wyzwania w zakresie przetwarzania zasilania dla całego systemu. Ponieważ sieci PDN zasilające serwery blade przełączają się na 48 V, wymagana jest zmiana konwersji mocy na tych serwerach. W każdym razie przejście na 48 V z dystrybucji 12 V zmniejsza zapotrzebowanie na prąd wejściowy czterokrotnie i zmniejsza straty szesnastokrotnie.

    Przyjęcie architektury 48 V

    48 V jest stosowane w systemach baterii podtrzymujących do zasilania urządzeń telekomunikacyjnych. Wspólna architektura tradycyjnie stosowana w tych systemach nazywana była architekturą magistrali pośredniej, która składała się z izolowanej, niestabilizowanej magistrali do konwersji 48 V na 12 V, które następnie jest podawany do banku wielofazowych stabilizatorów typu buck w celu przetwarzania napięcia do 12 V i stabilizacji w punkcie obciążenia (PoL). Wraz ze wzrostem prądów procesorów AI i CPU, gęstość rozwiązania dostarczania zasilania do PoL stała się najbardziej krytycznym elementem w zastosowaniach AI ze względu na rezystancję PDN między regulatorem a PoL. Straty PDN są dominującym czynnikiem w obliczaniu sprawności i wydajności konstrukcji stabilizatora impulsowego DC/DC.

    Aby zmniejszyć straty, Vicor sugeruje użycie 48-woltowego modułu wstępnej regulacji (PRM), po którym następuje faza transformacji napięcia o stałym współczynniku (współczynnik 1/K) (VTM). Ta zastrzeżona architektura pozwala zoptymalizować wydajność każdego etapu. PRM wykorzystuje topologię przełączania zerowego napięcia, podczas gdy VTM wykorzystuje zastrzeżoną topologię sinusoidalnego konwertera amplitudy (SAC) o wysokiej częstotliwości. VTM można traktować jako transformator DC/DC o przełożeniu równym 1/K dla napięcia i K dla prądu. VTM oferuje wysoką gęstość mocy i może być umieszczony bardzo blisko procesora. VTM implementuje topologię SAC, więc jego emisje są niskie i wąskopasmowe w porównaniu z emisją przetwornic wielofazowych i powiązanych z nimi cewek indukcyjnych. Zapewnia również większą gęstość mocy niż konstrukcje wielofazowe, przy czym pojedynczy moduł VTM zastępuje sześć wielofazowych stopni przełączania. VTM mieści się w niewielkiej obudowie, dobrze mieszcząc się w ograniczeniach układu dla zaawansowanych procesorów.

    Procesory AI następnej generacji sięgają po zasilanie systemowe 48 V
    Rys.2. Boczne dostarczanie zasilania.


    Wysokie natężenie prądu jest zapewniane przez modułowe mnożniki prądu (MCM), które są umieszczone obok procesora na płycie głównej lub na podłożu procesora. Umieszczenie modułów MCM na podłożu minimalizuje straty PDN i zmniejsza liczbę styków układu BGA procesora wymaganych do zasilania. LPD zaprojektowano tak, aby spełniał wymagania w zakresie dostarczania mocy i unikalnego kształtu kart modułu akceleratora OCP i niestandardowych kart akceleratora AI.

    Procesory AI następnej generacji sięgają po zasilanie systemowe 48 V
    Rys.3. Pionowe dostarczanie zasilania.


    Pionowe dostarczanie mocy (VPD) dodatkowo eliminuje straty na dystrybucji mocy i zużycie powierzchni płytki PCB pod układem. VPD jest podobny w konstrukcji do rozwiązania Vicor LPD, z dodatkową integracją pojemności filtrujących w module mnożnika prądu. W zależności od prądu procesora, inżynierowie mogą wybierać pomiędzy bocznym dostarczaniem mocy (LPD) a VPD. W pierwszym przypadku mnożnik prądu znajduje się obok procesora - albo na tym samym podłożu, albo bezpośrednio na płycie głównej w promieniu kilku milimetrów od układu, co pozwala zredukować rezystancję PDN do około 50 µΩ. Aby uzyskać jeszcze wyższą sprawność, VPD przesuwa mnożnik prądu bezpośrednio pod procesor, integrując również wysokoczęstotliwościowe kondensatory filtrujące. Ten rodzaj mnożnika prądu nazywany jest przekładniowym mnożnikiem prądu. VPD zmniejsza rezystancję PDN do poziomu 5–7 µΩ, dzięki czemu procesory AI mogą swobodnie wykorzystywać pełną moc.

    Procesory AI następnej generacji sięgają po zasilanie systemowe 48 V
    Rys.4. To rozwiązanie AI wykorzystuje rozwiązanie VR Vicor - 48 V do bezpośredniego ładowania, obsługujące do 650 A ciągłego i ponad 1000 A prądu szczytowego.


    Maksymalizacja wydajności procesora AI

    Typowe rozwiązanie Vicor VR dla zaawansowanych modułów akceleratorów AI pokazano na rysunku 4. Vicor VR składa się z trzech modułów układu sterowania, modułowego sterownika prądowego (MCD) i dwóch MCM, które zapewniają tor z 48 V na wejściu i 0,8 V na wyjściu ze zdolnością do podawania ciągłego prądu do 650 A i ponad 1000 A w impulsie. Ten poziom dostarczania
    mocy zapewnia, że ​​procesor AI może działać z optymalnymi częstotliwościami zegara i maksymalizować swoją wydajność bez ograniczenia zasilaniem. "Gdyby nasza technologia nie była wykorzystywana w tych zaawansowanych aplikacjach AI, liczba wielofazowych urządzeń VR przekroczyłaby rozmiar płyty i system nie utrzymałby tego samego współczynnika kształtu" - powiedział Gendron - "Ponadto udział szumu byłby najprawdopodobniej zbyt wysoki, aby zachować integralność sygnału".

    Dzięki zastosowaniu Vicor NBM2317 zachowana jest kompatybilność ze starszym systemem dystrybucji zasilania w szafie serwerowej 12 V, ale możliwe jest też dostarczanie 48 V do Vicor VR. Przetwornica z 12 V na 48 V może również działać w kierunku „przeciwnym”, umożliwiając konwersję 48 V na 12 V.

    Konwencjonalne architektury zasilania nie nadążają za dzisiejszymi energochłonnymi procesorami AI i ich przyjęciem w chmurze obliczeniowej. Podejście Vicor Power umożliwia dystrybucję 48 V, który obsługuje zaawansowane potrzeby przetwarzania AI. Odchodząc od konwencjonalnej konstrukcji wielofazowej stosowanej z procesorami, rozwiązanie Vicor zostało opracowane specjalnie z myślą o nowej klasie procesorów szybko migrujących w ramach serwerów w chmurze.

    Potrzebne jest nowe podejście do zasilania układów AI/HPC. Dystrybucja 12 V z szafy serwerowej w chmurze nie jest już możliwa do wykorzystania, ponieważ wiodące firmy naciskają na zwiększenie sprawności zasilania. Zasilanie współczesnych układów ASIC i GPU wymaga czegoś więcej niż tylko zwiększonej mocy poprzez wymianę części. Najskuteczniejsze rozwiązania zaczynają się od zasilania wysokiego napięcia, zawierają innowacyjne architektury i topologie oraz wykorzystują wysoce sprawne moduły zasilania o wysokiej gęstości upakowania.

    Źródło: https://www.eeweb.com/next-gen-ai-processors-need-48-v/

    Cool! Ranking DIY
    Ethernet jednoparowy (SPE) - rozwiązania w przemyśle. Szkolenie 29.09.2021r. g. 11.00 Zarejestruj się za darmo
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10549 posts with rating 8905, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.