Diseño de convertidores de potencia con tecnología GaN para satisfacer las necesidades de los centros de datos de IA

Resumen técnico: Las cargas de trabajo de inteligencia artificial (IA) están haciendo que el consumo eléctrico de los racks pase de decenas de kilovatios a cientos de kilovatios, lo que aumenta las pérdidas por conversión, la carga térmica y la presión sobre el espacio disponible. Las arquitecturas multietapa convierten la corriente alterna o la corriente continua de alta tensión de la instalación a través de etapas aisladas, de bus intermedio y de punto de carga. Los dispositivos de potencia de nitruro de galio (GaN) pueden conmutar a altas frecuencias con bajas pérdidas, lo que permite utilizar componentes magnéticos más pequeños y alcanzar una mayor densidad de potencia en los convertidores. En este artículo se analizan estos retos y se presentan los dispositivos GaNEXUS de onsemi, que abarcan la conversión de alta, media y baja tensión. En él se analizan los interruptores de GaN discretos y protegidos para convertidores de primera etapa, a nivel de rack y cercanos a la carga, haciendo hincapié en la tensión nominal, la resistencia en estado activo, la carga de la puerta, la capacidad de corriente, el encapsulado y las consideraciones térmicas. (Resumen facilitado por ChatGPT).

La demanda de inteligencia artificial (IA) ha provocado un rápido aumento de las necesidades energéticas de los centros de datos. Para dar cabida a cargas de trabajo de inteligencia artificial cada vez más complejas, los principales racks de servidores ya consumen más de 100 kilovatios (kW). Este aumento de la densidad de potencia en los racks de servidores está convirtiendo la gestión térmica en un aspecto fundamental del diseño.

Los diseñadores necesitan soluciones de semiconductores que admitan altas densidades de potencia en los racks de servidores y, al mismo tiempo, reduzcan las pérdidas en la conversión de energía y la generación de calor asociada.

En este artículo se explica por qué han aumentado los requisitos de potencia de los centros de datos de IA y cómo este aumento supone un reto para los diseñadores. A continuación, presenta las soluciones de potencia de nitruro de galio (GaN) de onsemi y muestra cómo pueden utilizarse para hacer frente a estos retos.

Por qué la inteligencia artificial ha transformado los requisitos energéticos de los centros de datos

Antes de la adopción generalizada de la inteligencia artificial, los centros de datos dependían principalmente de las unidades centrales de procesamiento (CPU) para gestionar una amplia gama de cargas de trabajo secuenciales, entre las que se incluían el tráfico web cotidiano y el alojamiento web, las comunicaciones digitales, como el correo electrónico, las transacciones financieras, el almacenamiento y los servicios en la nube, así como las operaciones de bases de datos empresariales.

Los centros de datos de IA suelen requerir un enfoque diferente. Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) ofrecen una arquitectura de procesamiento paralelo que permite realizar las complejas operaciones matemáticas necesarias para entrenar y ejecutar modelos de inteligencia artificial de gran tamaño de forma rápida y eficiente. Sin embargo, este rendimiento puede conllevar un mayor consumo máximo de energía.

Las CPU siguen desempeñando un papel destacado y fundamental en los centros de datos de IA, ya que se encargan del preprocesamiento de datos, la asignación de cargas de trabajo de IA entre clústeres de GPU, el traslado de datos y la gestión de las operaciones de E/S. Para seguir el ritmo de las GPU y evitar cuellos de botella en los datos, las CPU deben ofrecer un rendimiento de procesamiento, un ancho de banda de memoria y un rendimiento de E/S suficientes. En algunos casos, esto puede aumentar aún más el consumo energético de los racks de servidores de IA.

Además, se necesitan interfaces de red con mayor ancho de banda para satisfacer las considerables exigencias del procesamiento de la inteligencia artificial, especialmente a la hora de transferir datos entre racks de servidores. Esto puede aumentar el consumo de energía de varias maneras, en función del consumo de la interfaz, las velocidades de enlace y de si los transceptores de red utilizan conexiones de cobre u ópticas, lo que implica compensaciones entre el consumo de energía y la disipación térmica en función de la distancia de transmisión.

Los requisitos de procesamiento y conexión en red de los racks de servidores de IA han llevado a muchos ingenieros a replantearse el diseño del suministro eléctrico de los centros de datos, una tarea que se complica aún más debido a la estrecha relación existente entre el consumo energético de los procesadores y la generación de calor.

Retos en el diseño de sistemas de alimentación en los racks de servidores de IA

Los centros de datos de IA deben suministrar energía a una amplia gama de componentes heterogéneos. Con el fin de permitir un diseño de la alimentación más flexible, los ingenieros están empezando a separar la conversión trifásica de CA a CC de los racks de procesamiento individuales, alojando esta infraestructura en racks auxiliares específicos. Esto permite a los ingenieros de centros de datos desacoplar parcialmente los recursos de procesamiento de la infraestructura eléctrica.

En función de la arquitectura, la conversión de energía en los centros de datos de IA puede constar de varias etapas clave:

• La conversión en la etapa inicial toma corriente alterna trifásica y, por lo general, utiliza la corrección del factor de potencia (PFC), la rectificación y el filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI) para generar un bus de corriente continua de alta tensión que sirve de base para la posterior conversión en las etapas posteriores.
• La conversión CC/CC aislada de alta frecuencia reduce estas tensiones hasta los niveles requeridos por los recursos de IA posteriores. La distribución de energía y la conversión de alta intensidad y baja tensión más cerca de la carga pueden reducir las pérdidas resistivas en la distribución y mejorar la eficiencia energética. El aislamiento galvánico separa eléctricamente la entrada y la salida del convertidor, lo que contribuye a cumplir los requisitos de seguridad y protección del sistema.
• La conversión de tensión intermedia (IBC) toma una fuente de alimentación de corriente continua a nivel de rack y la convierte en una tensión intermedia adecuada para su distribución dentro del rack de servidores. Por ejemplo, un bus de distribución con una tensión nominal de 48 V —que puede funcionar a aproximadamente 54 V— puede utilizar la tecnología IBC para generar un riel de 12 V antes de la conversión final a las tensiones de los procesadores.
• Los convertidores de punto de carga (POL) suministran la tensión de funcionamiento final a cada uno de los procesadores. Se colocan cerca de los componentes de destino para reducir el ruido eléctrico, las pérdidas de distribución y la impedancia parásita, al tiempo que permiten una respuesta rápida a los transitorios cuando la demanda de potencia varía bruscamente.

En conjunto, estas etapas de conversión controlan y regulan la alimentación de cada recurso de procesamiento en los racks de servidores. Sin embargo, dado que las pérdidas por conversión generan calor, los diseñadores se benefician de los semiconductores de potencia que permiten una conversión de tensión eficiente y reducen la carga que supone la gestión térmica.

Sin embargo, los diseñadores se enfrentan a otro reto: las crecientes expectativas de rendimiento para un espacio determinado destinado al equipamiento de los centros de datos. La eliminación de los dispositivos de conversión front-end de los racks de servidores puede liberar espacio para recursos de procesamiento adicionales, lo que aumenta la densidad de procesamiento global. No obstante, estos recursos requieren una conversión de energía en una fase posterior que debe realizarse en un espacio limitado.

Al elegir la tecnología de semiconductores de potencia adecuada, los diseñadores pueden minimizar las pérdidas y reducir el espacio que ocupa el convertidor de potencia, lo que permite una mayor densidad de procesamiento y de potencia en cada rack de servidores.

Aumento de la densidad de potencia y la eficiencia de conversión de los racks de servidores de IA con GaN

El GaN es un material semiconductor de banda ancha (WBG) que ofrece numerosas ventajas para aplicaciones de potencia, como la conversión de tensión. Su rendimiento de conmutación de alta frecuencia permite a los diseñadores utilizar componentes de filtrado más pequeños, incluidos los componentes magnéticos, que suelen ocupar una superficie considerable en la placa de circuito impreso (placa CI). Al reducir al mínimo el espacio que ocupan los circuitos de los convertidores de potencia, los diseñadores pueden aumentar la densidad de potencia y ofrecer mayores recursos de procesamiento por cada rack de servidores de IA.

El GaN también presenta bajas pérdidas de conmutación, lo que puede mejorar la eficiencia de conversión y reducir la generación de calor. Aunque esto no reduce el calor generado por los propios procesadores, la conversión de potencia basada en GaN contribuye a reducir la carga adicional que supone la gestión térmica derivada de la infraestructura de alimentación de los servidores de IA.

Para hacer frente a las distintas etapas de la conversión de potencia en los centros de datos de IA, los diseñadores se benefician de una completa cartera de productos de alimentación basados en GaN. La cartera de productos de alimentación GaNEXUS de onsemi incluye actualmente dispositivos GaN laterales que abarcan un rango de tensión de entre 40 V y 650 V, entre los que se encuentran transistores discretos de GaN de modo de enriquecimiento y alta movilidad de electrones (HEMT) y dispositivos con funciones de protección integradas.

Dado que los centros de datos de IA suponen inversiones sustanciales a largo plazo, los diseñadores de racks para servidores de IA necesitan soluciones que garanticen una alta fiabilidad y ciclos de vida prolongados. onsemi diseñó la cartera GaNEXUS en función de estos requisitos, aprovechando su experiencia en semiconductores de banda ancha (WBG).

Descubra la gama de productos de GaNEXUS

Al seleccionar componentes específicos de la cartera GaNEXUS, los diseñadores pueden abordar las etapas clave de la conversión de potencia en los centros de datos de IA. Para la conversión de CA a CC en la etapa de entrada y la conversión de CC a CC aislada de alta frecuencia, el ENGNTBT035N65GN1TXG (Figura 1) es un HEMT de GaN de modo de enriquecimiento de 650 V en un encapsulado TOLT de montaje superficial de 10 mm × 15 mm, diseñado para la refrigeración por la parte superior en diseños de alta densidad. Este dispositivo presenta una resistencia en estado activo (R_DS(ON)) típica baja, de 27 miliohmios (mΩ), para minimizar las pérdidas por conducción durante la conversión de potencia, al tiempo que admite una corriente continua máxima entre drenaje y fuente (I_DS) de 64 amperios (A) a una temperatura de la carcasa (T_CASE) de +25 °C.

Figura 1: El ENGNTBT035N65GN1TXG es un HEMT de GaN de 650 V en un encapsulado compacto diseñado para una gestión térmica eficiente. (Fuente de la imagen: onsemi)

La carga de puerta (Q_G) ultrabaja del ENGNTBT035N65GN1TXG, de 14 nanoculombios (nC), permite alcanzar altas velocidades de conmutación, lo que permite una mayor densidad de potencia con componentes magnéticos más pequeños. Además, el ENGNTBT035N65GN1TXG puede soportar tensiones transitorias no repetitivas entre drenaje y fuente (V_DS(TRAN)) de 800 V, lo que proporciona un margen de tensión adicional durante incidentes de alimentación anómalos de corta duración.

Por otra parte, el ENGNCP58934ABLTXG (Figura 2) es también un interruptor de potencia de GaN de modo de enriquecimiento de 650 V con capacidades de corriente y R_DS(ON) similares, pero se presenta en un encapsulado PDSO-F9 de 10.38 mm × 9.90 mm con un I_DS máximo de 63 A a una temperatura de la carcasa de +25 °C. Este dispositivo integra un limitador de tensión de puerta y un limitador de Miller, y permite ajustar las velocidades de respuesta de activación y desactivación mediante resistencias externas. Estas características ayudan a los diseñadores a gestionar la resistencia de la puerta de GaN y a equilibrar el rendimiento en materia de interferencias electromagnéticas con la eficiencia de conversión. Tenga en cuenta que se requiere un controlador de puerta externo.

Figura 2: El interruptor de potencia GaN ENGNCP58934ABLTXG de 650 V se presenta en un encapsulado PDSO-F9 compacto de 10.38 mm × 9.90 mm e incorpora funciones adicionales de protección y personalización del rendimiento. (Fuente de la imagen: onsemi)

Para la conversión de bus intermedio, el ENGNTLCC3D5N10GN1TXG (figura 3) es un dispositivo de 100 V que admite una intensidad de corriente continua (I_DS) máxima de 183 A a una temperatura de la carcasa de +25 °C. Ofrece un R_DS(ON) bajo, de 2.7 mΩ, y un Q_G ultrabajo, de 7.3 nC, lo que reduce las pérdidas en las etapas posteriores de la conversión de potencia. El ENGNTLCC3D5N10GN1TXG está disponible en un encapsulado PTFP-N9 de 3.3 mm × 3.3 mm, lo que pone de relieve el potencial de densidad de potencia de los convertidores de potencia basados en GaN.

Figura 3: El ENGNTLCC3D5N10GN1TXG es un dispositivo HEMT de GaN de 100 V ultracompacto que permite una mayor densidad de potencia en los circuitos IBC de los centros de datos. (Fuente de la imagen: onsemi)

Más adelante en la cadena, el ENGNTLEF0D7N04GN1TXG (Figura 4) es un dispositivo de 40 V con una I_DS máxima de 819 A a una temperatura de la carcasa de +25 °C. Es adecuado para la conversión CC/CC de alta intensidad cerca de la carga. Se presenta en un encapsulado PDSO-N8 de 5 × 6 mm, y su R_DS(ON) típico de 0.5 mΩ contribuye a minimizar las pérdidas durante el funcionamiento con corrientes elevadas, lo que favorece una conversión de potencia eficiente y reduce la generación de calor.

Figura 4: El ENGNTLEF0D7N04GN1TXG es una solución compacta para convertidores CC/CC de alta corriente situados cerca del hardware de procesamiento de IA. (Fuente de la imagen: onsemi)

Conclusión

Los centros de datos de inteligencia artificial suelen requerir múltiples etapas de conversión de energía dentro de racks de servidores cada vez más complejos. Mediante el uso de semiconductores de potencia de GaN en los circuitos de entrada de alta frecuencia y en los convertidores CC/CC, los diseñadores pueden reducir las pérdidas de conversión y el calor asociado, al tiempo que reducen el espacio que ocupa el convertidor. La cartera de productos de alimentación GaNEXUS ofrece soluciones de GaN de alto rendimiento que cumplen los requisitos eléctricos, de encapsulado, térmicos y de protección integrada en las distintas etapas de la conversión de energía en los centros de datos de IA.