A necessidade de soluções de fornecimento de energia eficientes e adaptáveis para data centers, aplicações de inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML), que processam continuamente enormes volumes de dados, está em seu ponto mais alto. Melhorar o fornecimento de energia é frequentemente essencial para aumentar o poder computacional e a eficiência geral. A flexibilidade — juntamente com o tamanho, custo e desempenho térmico — é fundamental no desenvolvimento de redes de fornecimento de energia (PDNs, Power Delivery Networks) ideais. Os sistemas de fornecimento de energia precisam se adaptar à forma como são fisicamente integrados em sistemas de alto desempenho para atender às demandas atuais.
Um grande cluster de processadores pode exigir que a corrente seja fornecida a partir de um componente localizado do outro lado da placa ou verticalmente, em vez de no lado superior da placa, para otimizar o espaço, por exemplo. O aumento da densidade de processadores e componentes na placa torna ainda maior a necessidade de soluções de fornecimento de energia mais compactas.
Além dos desafios impostos pela densidade de processadores, a gestão da dissipação de calor é outro aspecto essencial nos sistemas de computação de alto desempenho. Soluções de resfriamento podem prevenir o superaquecimento, reduzir os custos operacionais e melhorar a eficiência do sistema. Uma solução a ser considerada é a entrega de energia verticalmente através da PCB, utilizando componentes de alimentação localizados na parte inferior da placa, em vez de lateralmente a partir de um componente ao lado do(s) processador(es) na mesma placa. Vamos explorar mais detalhadamente o que isso significa.
Fornecimento de Energia Lateral e Vertical
O fornecimento de energia lateral é o método tradicional de fornecimento de energia em PCBs. Nesse método, a energia é fornecida por um componente conectado do mesmo lado da placa e ligado a um processador através de um trace ou um fio condutor. Quanto mais longos forem esses traces, maior o potencial de perda de energia ou outras ineficiências.
Por outro lado, o fornecimento de energia vertical aumenta a eficiência ao eliminar a necessidade de traces na placa, conectando um processador a um regulador localizado no lado oposto da placa. Essa conexão é feita através de um through-hole com pinos curtos, o que reduz significativamente os fatores potenciais que contribuem para perdas incrementais de energia.
Além disso, o fornecimento de energia vertical simplifica o design da placa ao eliminar a necessidade de mapeamentos complexos. Matrizes de processadores em um lado da placa podem ser emparelhadas diretamente, de forma one-to-one, com reguladores no outro lado que compartilham o mesmo mapa de pinos.
Além de simplificar o design da placa, o fornecimento de energia vertical oferece vantagens para a gestão térmica. Grandes data centers e conjuntos de servidores (fazendas de servidores) geram quantidades significativas de calor. O calor gerado entre componentes dispostos verticalmente é mais centralizado em comparação com componentes distribuídos em um único lado da placa. Isso torna o calor mais fácil de dissipar com um sistema de gerenciamento térmico apropriado.
O portfólio µModule® da Analog Devices de soluções de fornecimento de energia pode fornecer energia de forma lateral ou vertical para aplicações de computação de alto desempenho (HPC), mantendo o mesmo alto nível de desempenho. Reguladores de tensão µModule com capacitores integrados reduzem a necessidade de componentes extras na placa, enquanto seus formatos compactos economizam espaço valioso no design.
A fixação de indutores na parte superior do módulo aproveita melhor o espaço vertical e ajuda a otimizar o espaço na placa para processadores ou outros componentes. Ao utilizar o mesmo mapa de pinos de uma GPU conectada a um lado da placa e uma matriz de esferas (BGA) no outro lado, o regulador pode se conectar ao processador na menor distância física possível. Reduzir essa distância física é uma das chaves para melhorar a resposta transitória e reduzir as ineficiências no fornecimento de energia.
O portfólio µModule oferece soluções de estágio único e de dois estágios para os desafios de fornecimento de energia em PCBs, entregando alto desempenho e escalabilidade fácil para aplicações de telecomunicações, redes e big data.
Solução de um único estágio: Série LTM468x
Entre os robustos reguladores DC/DC da Analog Devices, o LTM4681 e LTM4683 oferecem soluções de estágio único para aplicações com entradas de até 16V e 14V, respectivamente. Eles suportam até 125A, vêm em pacotes compactos BGA e integram uma interface PMBus (Power Management Bus) para fácil escalabilidade em diversas aplicações. A interface serial de dois fios permite ajustes precisos de margem, calibração e rampagem programável da saída. Com configurabilidade remota e monitoramento por telemetria, esses dispositivos são otimizados para uma gestão de energia eficiente e flexível.
Para aplicações com demandas de energia mais elevadas, a série LTP80xx oferece soluções de energia de estágio único, indo de 54Vin até níveis de tensão de núcleo. A série LTP80xx também pode ser configurada remotamente e monitorada por telemetria, facilitando o design e a implementação, além de integrar diversos componentes para economizar espaço na placa.
Os reguladores DC LTP8800-1A, LTP8800-2, LTP8800-4A, e LTP8803-1A DC utilizam uma arquitetura de comutação ressonante para minimizar perdas de comutação em alta tensão, melhorando a eficiência geral, especialmente em relações de conversão elevadas. Por exemplo, a série LTP8803-1A alcança taxas de eficiência de pico de até 91,8%, enquanto economiza espaço físico na placa para adicionar componentes e funcionalidades extras. Além disso, os quatro reguladores da série LTP8800 estão disponíveis em pacotes abertos de montagem em superfície com dimensões de 22 mm × 24 mm × 6,7 mm e 22 mm × 24 mm × 22 mm.
O Futuro do Fornecimento de Energia em Big Data e IA
À medida que os data centers e as fazendas de servidores continuam a crescer e o “big data” e a IA impulsionam investimentos massivos dos setores público e privado, os métodos e sistemas de fornecimento de energia precisarão evoluir para atender a essas crescentes demandas. A otimização das redes de fornecimento de energia pode ser o fator mais significativo para aumentar o poder de computação geral e processar dados em uma escala ainda maior. No entanto, maximizar a densidade de potência se torna mais desafiador à medida que os processadores e outros componentes continuam a diminuir seu tamanho. Isso torna as arquiteturas avançadas de fornecimento de energia críticas para melhorar a eficiência e o desempenho geral da computação.
A construção de redes de fornecimento de energia (PDNs) eficientes e confiáveis é a base das aplicações de computação de alta potência, e a série µModule de reguladores DC da Analog Devices é uma solução ideal para operações de mineração e processamento de dados, IA e aprendizado de máquina (ML), telecomunicações e redes. Com suporte para sistemas de entrada de 12V e 54V, os reguladores µModule da Analog Devices oferecem soluções de estágio único e de dois estágios, projetadas para acomodar configurações de fornecimento de energia tanto lateral quanto vertical, trazendo diversas vantagens.
Artigo publicado por Mouser Electronics no blog da Mouser Electronics: Power Solutions for Big Data and AI
Traduzido pela Equipe Embarcados.
