استفاده از SiC در مراکز داده‌ مبتنی بر هوش مصنوعی

شرکت onsemi مدعی است که ترکیب جدیدترین ترانزیستورهای سیلیکونی (Si MOSFET) و کاربید سیلیکون (SiC)، اتلاف انرژی در مراکز داده را تا 1٪ کاهش می‌دهد.

مشکل کمبود برق یکی از مواردی است که پیشرفت در هوش مصنوعی (AI) را تهدید می‌کند. به همین منظور onsemi تصمیم گرفته از یک سری ترانزیستورهای سیلیکونی و یکسری ترانزیستورهای کاربید سیلیکونی استفاده کند.

سایمون کیتون، رئیس بخش راهکارهای منابع تغذیه در onsemi، گفت که

ترکیب MOSFET های سیلیکونی (Si) و کاربید سیلیکون (SiC) اتلاف انرژی در منابع تغذیه را مراکز داده تا ۱٪ کاهش می‌دهد و همین منجر به افزایش راندمان و بهبود عملکرد حرارتی در یک فضای کوچک می‌شود. او افزود که با جایگزین کردن MOSFET ها در مراکز داده در سراسر جهان، می‌توان تا ۱۰ تراوات ‌ساعت (TWh) برق در سال صرفه‌جویی می‌شود.

راه‌حل SiC است. SiC (کاربید سیلیکون) یک ماده نیمه‌رسانا جدیدتر است که به دلیل ویژگی‌های خوبی که دارد به‌سرعت در حال جایگزینی سیلیکون در جاهایی است. SiC به‌طور خاص جاهایی که ولتاژ بالا است، کاربرد دارد. هرچند که SiC گران‌ است، اما نقش مهمی در اینورترهای کششی خودروهای برقی (EV) که بین باتری و موتور قرار دارند، ایفا می‌کند. MOSFET های SiC به‌طورکلی اتلاف انرژی کمتری دارند و با سرعت‌های بالاتری سوئیچ می‌کنند. همین باعث صرفه‌جویی در فضا و کاهش هزینه‌های سیستم می‌شود.

SiC به دلیل مزایایی مانند:

کاهش اتلاف انرژی و بهبود راندمان حرارتی، موجب کاهش مصرف برق در مراکز داده می‌شوند. مراکز داده که مسئول پردازش و ذخیره‌سازی حجم زیادی از داده‌ها هستند، در سال ۲۰۲۲ حدود ۲٪ از کل برق جهان را مصرف کردند که معادل با ۴۶۰ تراوات ‌ساعت (TWh) است. با توجه به نیاز روزافزون به قدرت پردازش در توسعه و اجرای مدل‌های پیچیده AI، غول‌های فناوری و استارتاپ‌ها به دنبال منابع انرژی بیشتری هستند. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) پیش‌بینی کرده که مصرف برق برای مراکز داده به ۶۵۰ تراوات ‌ساعت تا سال ۲۰۲۵ خواهد رسید که نشان‌دهنده افزایش چشمگیر میزان تقاضای انرژی است.

آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) پیش‌بینی می‌کند که مصرف برق در مراکز داده و زیرساخت‌های مرتبط با هوش مصنوعی ممکن است در آینده به مقدار بسیار زیاد ۱۰۰۰ تراوات‌ ساعت برسد.

افزایش مصرف انرژی در تراشه‌های سیلیکونی نسل بعدی هوش مصنوعی

در حال حاضر مصرف انرژی پردازنده‌های معمولی به‌اندازه‌ای نیست که باعث افزایش شدید تقاضا برای برق شود. این پردازنده‌ها معمولاً حدود ۳۰۰ وات انرژی مصرف می‌کنند. منابع تغذیه AC-DC برای توزیع برق با ولتاژ بالا در مراکز داده طراحی شده‌اند و می‌توانند تا ۱۰ پردازنده را تغذیه کنند که مجموعاً به ۳۰۰۰ وات می‌رسد.

شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی مانند GPU های Hopper از NVIDIA، مصرف برق بیشتری نسبت به پردازنده‌های معمولی دارند. هر GPU ممکن است تا ۷۰۰ وات انرژی نیاز داشته باشد. نیاز به مصرف انرژی در مدل‌های بعدی مانند GPU های Blackwell ممکن است تا ۱۰۰۰ وات یا بیشتر هم برسد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند تا پایان دهه، مصرف برق یک GPU در مراکز داده ممکن است به بیش از ۲ کیلووات انرژی برسد و این به معنای زیرساخت‌های برقی بسیار قدرتمندتر و بهینه‌سازی‌ انرژی است.

تراشه‌های هوش مصنوعی به دلیل نیاز بالای خود به انرژی، باعث افزایش شدید برق مورد نیاز در مراکز داده می‌شوند. مصرف برق به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته است، به‌طوری‌که مراکز داده باید برای تأمین انرژی مورد نیاز، زیرساخت‌های بهتری داشته باشند. مصرف برق در بعضی از سرورها به ۹۰ کیلووات و حتی تا ۱۲۰ کیلووات می‌رسد. این میزان در حال حاضر بین ۱۵ تا ۳۰ کیلووات است.

برق از شبکه برق شهری به مرکز داده وارد می‌شود. این برق در حالت اولیه AC (جریان متناوب) و با ولتاژ بالا است. واحد منبع تغذیه (PSU)، یکی از اولین اجزای سیستم است که برق AC ورودی را به برق DC با ولتاژ پایین‌تر تبدیل می‌کند. این تبدیل ولتاژ البته کار ضروری است زیرا تجهیزات داخلی سرور (مانند CPU ها، GPU ها و تراشه‌های AI) به برق DC با ولتاژ مشخصی نیاز دارند. تبدیل برق AC به DC باعث می‌شود که برق به چیزی که برای استفاده در سرور و مدارهای داخلی آن مناسب باشد، تبدیل شود. در این فرآیند ولتاژ به‌گونه‌ای تنظیم و کنترل می‌شود که برای عملکرد صحیح تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز باشد.

تا پیش‌ازاین، برای تأمین برق سرورها و مدارهای PCB از ولتاژ DC، ۱۲ ولت استفاده می‌شد. این ولتاژ از طریق منبع تغذیه مرکزی به سرورها منتقل می‌شد و سپس به چیزی که برای پردازنده‌ها قابل استفاده باشد، تبدیل می‌شد. با افزایش نیاز به برق، اتلاف ناشی از انتقال و تبدیل برق با ولتاژ ۱۲ ولت به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافت. این اتلاف انرژی موجب مشکلاتی در بهره‌وری انرژی و افزایش هزینه‌ها منجر شد. برای کاهش اتلاف انرژی و افزایش بهره‌وری انرژی، تصمیم بر این شد که از ولتاژ ۴۸ ولت استفاده شود. این تغییر باعث می‌شود که جریان مورد نیاز برای تأمین همان مقدار انرژی، چهار برابر کاهش یابد. طبق قانون اهم، توان (P) برابر است با جریان (I) ضربدر ولتاژ (V). با افزایش ولتاژ، جریان کاهش می‌یابد و در نتیجه اتلاف انرژی کاهش می‌یابد.

ولتاژ مورد نیاز برای هسته‌های پردازنده‌های جدید به کمتر از یک ولت کاهش یافته است. این کاهش ولتاژ باعث می‌شود که به چند ریل با ولتاژ مختلف برای پردازنده‌ها نیاز باشد. به‌منظور تبدیل ولتاژ بالا (۴۸ ولت) به ولتاژ پایین‌تر (۱۲ ولت) از مبدل میان‌مرزی (IBC) استفاده می‌شود. ولتاژ ۱۲ ولتی که توسط IBC تولید می‌شود، به‌عنوان ولتاژ اصلی استفاده می‌شود. ماژول‌های VRM مسئول تبدیل ولتاژ ۱۲ ولت به ولتاژهای بسیار پایین‌تری هستند که برای هسته‌های پردازنده مناسب هستند. این کار برای تأمین انرژی بهینه و پایدار در هسته‌ها حیاتی است.

در هر فرآیند تبدیل انرژی، مقداری از انرژی به‌صورت حرارت هدر می‌رود. این حرارت باید به نحو مناسبی مدیریت و دفع شود تا سیستم‌ها به‌درستی کار کنند. مراکز داده هایپر اسکیل که متعلق به شرکت‌های بزرگ فناوری مانند آمازون، گوگل و مایکروسافت هستند، به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند. برای تأمین انرژی پردازنده‌ها و سایر تجهیزات در این مراکز داده، به ۱۲۰ کیلووات برق برای هر راک سرور نیاز است. حدود ۱۲٪ از برق مصرفی قبل از اینکه به GPU برسد، هدر می‌رود و این هدر رفتن معادل تولید ۱۵ کیلووات حرارت است. برای دفع این حرارت، از خنک‌کننده‌های مختلفی استفاده می‌شود. در بسیاری از موارد، از سیستم‌های خنک‌کننده مایع مانند آب برای کنترل حرارت و جلوگیری از گرم شدن بیش‌ازحد استفاده می‌شود.

اتلاف انرژی به معنای هدر رفت انرژی و افزایش هزینه‌ها است. اتلاف انرژی باعث تولید حرارت می‌شود که خود مستلزم نیاز به فضای بیشتر و هزینه‌های اضافی برای مدیریت آن است. این حرارت بر عملکرد و کارایی سیستم تأثیر منفی می‌گذارد. به همین دلیل شرکت‌ها از توپولوژی‌های جدید و پیشرفته در طراحی سیستم‌های تأمین برق برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش اتلاف انرژی استفاده می‌کنند. استفاده از مبدل اصلاح هم‌زمان یکی از روش‌های جدید برای کاهش اتلاف انرژی و افزایش کارایی سیستم تبدیل ولتاژ برق است. این روش باعث افزایش کارایی تبدیل انرژی نسبت به روش‌های معمولی می‌شود.

MOSFET: کلید حل مشکل مصرف برق در هوش مصنوعی

در سیستم‌های تأمین برق، MOSFET‌ها نقش کلیدی در بهینه‌سازی عملکرد و کاهش تلفات انرژی دارند. این دستگاه‌ها باید حداکثر کارایی را در سیستم‌های داده فراهم کنند.

کاهش شارژ گیت به میزان ۵۰٪ به معنای کاهش انرژی مورد نیاز برای تغییر وضعیت MOSFET از حالت روشن به خاموش است. این امر باعث کاهش اتلاف انرژی و افزایش کارایی می‌شود. کاهش انرژی ذخیره شده در خازن‌های خروجی باعث کاهش اتلاف انرژی در زمان سوئیچینگ و افزایش کارایی کلی دستگاه می‌شود. SiC به دلیل هدایت حرارتی بالاتر، حرارت را بهتر از سیلیکون مدیریت می‌کند. این موجب کاهش اتلاف انرژی در سوئیچینگ و افزایش کارایی کلی سیستم می‌شود. با استفاده از MOSFET های با کارایی بالا، می‌توان فرکانس‌های عملیاتی را افزایش داد و از قطعات کوچک‌تر استفاده کرد که به کاهش اندازه و هزینه‌ها در سیستم کمک می‌کنند.

MOSFET ها به دلیل طراحی فشرده و ویژگی‌های حرارتی بهتری که دارند، کنترل بهتری در حرارت دارند. این ساختار طراحی به کاهش شارژ گیت کمک می‌کند که باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای تغییر وضعیت MOSFET و بهبود کارایی کلی آن می‌شود. مقاومت پایین در حالت روشن به معنی کاهش اتلاف انرژی و افزایش کارایی است. مقاومت این MOSFET ها کمتر از ۱ میلی اهم هستند که موجب بهبود عملکرد در کاربردهای با جریان بالا می‌شود.

منبع : electronicdesign