Construya servidores de IA de alto rendimiento con componentes pasivos avanzados

Curiosamente, una reciente salida al cine me hizo pensar en los servidores de IA. La película tenía un elenco diminuto de solo dos personajes principales, pero una lista de créditos comparativamente enorme que se sumaba a cientos. Esto me recordó a los servidores de IA cada vez más sofisticados y sus estelas de GPU y CPU. Sin el soporte de una amplia gama de componentes pasivos, esos procesadores no pueden ofrecer tanto.

Consideremos la placa base típica de un servidor de IA (Figura 1). La fuente de alimentación debe reducirse a voltajes estables y libres de ruido. Las señales de alta velocidad compiten entre chips e interfaces de red, y cada enlace requiere un tiempo bien controlado. Al supervisar todo, el controlador de gestión de zócalo (BMC) monitoriza las temperaturas para mantener el calor bajo control.

Figura 1: Una placa base de servidor de IA requiere una selección sofisticada de componentes pasivos. (Fuente de la imagen: Murata)

Cada uno de estos dominios funcionales (entrega de potencia, supresión de ruido, temporización de señal y gestión térmica) depende de una mezcla cuidadosamente seleccionada de componentes pasivos para lograr la eficiencia y fiabilidad necesarias. Murata Electronics ofrece una amplia gama de pasivos de alto rendimiento para servidores de IA que encajan perfectamente en cada uno de estos roles.

Los capacitores e inductores mantienen los rieles de alimentación estables

Cada etapa de convertidor de CC/CC necesita capacitancia local para mantener su riel estable durante los pasos de carga, filtrar el ruido de conmutación y proporcionar desacoplamiento local. El capacitor de cerámica multicapa de montaje superficial (MLCC) GRM32EC80E337ME05L realiza las tres tareas en una huella compacta, empaquetando 330 microfarads (μF) de capacitancia en una carcasa de 1210 (3225 métricas) que mide 3.20 × 2.50 milímetros (mm). Está clasificado para 2.5 voltios, coincidiendo con los rieles de baja tensión de las redes de alimentación de servidores. Su característica de temperatura X6S mantiene la capacitancia dentro del ±22% en todo el rango de -55 a 105 °C, por lo que el rendimiento no disminuye a medida que la placa se calienta.

Los capacitores estabilizan los rieles, mientras que los inductores realizan la conversión real de tensión almacenando y liberando energía durante cada ciclo de conmutación. Lo que distingue al inductor DFE322512F-2R2M=P2 de 2.2 microhenry (μH) es su núcleo de aleación metálica apantallado, que transporta alta corriente en un cuerpo compacto y de perfil bajo, y contiene flujo disperso en placas compactas. El dispositivo está clasificado para -40 a 125 °C, tiene una huella de 1210 (3225 métricas) y soporta hasta 2.6 amperios (A) de corriente continua. Su mayor corriente de saturación de 3.4 A proporciona margen para los picos breves que atrae un riel de procesador muy activo, mientras que una baja resistencia CC (DCR) de 66 miliohmios (mΩ) mantiene alta la eficiencia de conversión.

Las perlas y filtros de ferrita controlan el ruido de conmutación

La conmutación de alta velocidad genera inevitablemente interferencias electromagnéticas (EMI) que se acoplan a los rieles y líneas de señalización cercanas. Las perlas de ferrita abordan esto presentando alta impedancia al ruido mientras pasan corriente continua con poca pérdida. Consideremos el BLM31KN601SN1L, un tipo de línea eléctrica con impedancia de 600 Ω a 100 megahercios (MHz), suficiente para suprimir armónicos conmutados mientras presenta solo 38 mΩ de DCR. Maneja 2.9 A en un pequeño paquete de 1206 (3216 métrico) de 3.20 × 1.60 mm.

Cuando una sola perla no es suficiente, como una alimentación de alta corriente en un subsistema sensible, un módulo dedicado de filtro de supresión EMI proporciona una atenuación más fuerte. Por ejemplo, el filtro inductor-capacitor (LC) BNX023-01L combina inductancia y capacitancia en un único dispositivo de montaje superficial (SMD) para lograr una respuesta de paso bajo de quinto orden. El filtro está diseñado para 20 A y 100 voltios y alcanza una atenuación de 35 decibelios (dB) desde 1 MHz hasta 1 gigahercios (GHz), suficiente para cubrir los fundamentos y armónicos de conmutación manteniendo una baja resistencia de canal de 0.43 mΩ.

Las unidades de cristal proporcionan una sincronización precisa para chips y redes

Los circuitos de temporización pueden enfrentarse a temperaturas extremas, especialmente cuando están situados cerca del complejo CPU/GPU. Esto no supone problema para la unidad de cristal XRCGA27M000FBA1BR0, que funciona a 27 MHz con tolerancia de frecuencia de ±15 partes por millón (ppm) a 25 °C y una estabilidad de frecuencia de ±35 ppm. La pieza tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a 125 °C y se presenta en un paquete SMD de 2.0 × 1.6 × 0.7 mm.

En cambio, el transceptor de capa física Ethernet (PHY) es más frío, pero requiere una referencia más precisa para asegurar una temporización precisa de paquetes. La XRCGB25M000F1SBAR0 de 25 MHz encaja aquí. Proporciona un control de frecuencia más preciso, con una tolerancia de ±10 ppm a 25 °C y una estabilidad de ±20 ppm. La familia utiliza el mismo paquete que su hermana XRCGA, pero con un rango de temperatura de funcionamiento más bajo, de -40 a 105 °C, lo que la hace más adecuada para el borde de la placa más fría. Su capacitancia de carga de 6 picofarads (pF) coincide con el circuito de temporización del PHY.

Los termistores protegen contra el sobrecalentamiento

El BMC se basa en datos precisos de temperatura para gestionar la velocidad de los ventiladores, emitir avisos térmicos y proteger el sistema bajo carga. El termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) NCU15WB473F6SRC de Murata brinda esta detección. El dispositivo tiene una resistencia nominal de 47 kilohms (kΩ) a 25 °C, una constante B (25/50 °C) de 4050K, y una tolerancia del ±1% en su rango de temperatura de funcionamiento de -55 a 150 °C (Figura 2), por lo que el BMC puede leer la temperatura con precisión sin calibración por unidad. El termistor viene en un paquete 0402 (1005 métrico) y es adecuado para su colocación cerca de circuitos integrados de potencia (CI), convertidores CC/CC y otros puntos calientes.

Figura 2: El termistor NTC NCU15WB473F6SRC tiene una tolerancia del ±1% en su rango de temperatura de funcionamiento de -55 a 150 °C. (Fuente de la imagen: Murata)

Mientras que los termistores NTC informan la temperatura al BMC, los termistores con coeficiente de temperatura positivo (PTC) proporcionan protección directa contra el sobrecalentamiento a nivel de componente. El Posistor PRF15BB102RB6RC PTC de Murata aumenta drásticamente su resistencia por encima de una temperatura umbral, ayudando a proteger los transistores de efecto de campo (FET) o circuitos integrados de potencia cercanos del sobrecalentamiento, sin necesidad de controlador externo. El PTC tiene una resistencia de 1 kΩ a 25 °C y viene en un paquete 0402, lo suficientemente compacto como para situarse junto a circuitos integrados individuales de potencia. Su rango de funcionamiento es de -40 a 140 °C.

Conclusión

Los servidores de IA requieren pasivos de alto rendimiento y alta precisión que puedan operar de forma eficiente y fiable bajo condiciones ambientales desafiantes. Los MLCC, inductores de potencia, perlas de ferrita, filtros EMI, unidades cristalinas y termistores de Murata están diseñados para cumplir estos requisitos. Las GPU y CPU pueden ser las estrellas, pero son los pasivos que trabajan tras bambalinas los que apoyan su rendimiento.