Снижение эксплуатационных расходов ЦОД с помощью интеллектуальных систем правления питанием
В статье рассматриваются возможности интеллектуальных систем, позволяющие создавать комплексные, эффективные, компактные и надежные решения для управления питанием в центрах обработки данных.
Рисунок 1
Многофазные контроллеры и силовые каскады DrMOS (драйвер + MOSFet)
Человечество каждый день создает, использует и передает большие объемы данных, связанных с личной жизнью и работой. Кроме того, данные генерируются миллиардами устройств интернета вещей (ioT). По мере появления мобильных технологий 5-го поколения (5G) количество ежедневно передаваемых и обрабатываемых данных значительно увеличивается. Все они должны храниться и обрабатываться. Мы все чаще обращаемся к «облаку» для хранения этой важной информации. Облако реализовано в виде огромных центров обработки данных (ЦОД), объемы и количество которых быстро увеличиваются в соответствии с растущими потребностями в дополнительном хранилище (дисковом пространстве).
Неудивительно, что для работы центров обработки данных требуется значительное количество электроэнергии. В настоящее время ЦОДы потребляют около 3% электроэнергии в США. Ожидается, что в ближайшие два десятилетия этот показатель вырастет до 15%. Ежегодно производится более 10 млн серверных плат, и это число продолжает увеличиваться примерно на 5% в год в соответствии с постоянно растущим спросом пользователей и новых приложений, включая VR/АR, самообучающихся систем искусственного интеллекта (ai) и интернета вещей.
Эффективное использование электроэнергии и надежность ее обеспечения, очевидно, являются наиболее важными критериями выбора источников питания (ИП) для центров обработки данных. Место на плате физически ограничено, стоимость электроэнергии растет, а надежность систем имеет первостепенное значение.
По мере возрастания эффективности преобразования энергии рабочие температуры уменьшаются, благодаря чему повышается надежность и уменьшаются размеры преобразователей, что позволяет использовать вычислительные мощности и емкости хранения большего объема в ограниченном пространстве. В центрах обработки данных имеются компоненты с движущимися частями, например жесткие диски и вентиляторы, которые изнашиваются и могут выходить из строя при эксплуатации. В связи с этим системы электропитания должны обеспечивать горячее подключение данных устройств при ремонте или замене.
Решение задачи по обеспечению питанием
Чтобы соответствовать требованиям современных ЦОДов, микросхемы управления питанием должны стать более компактными, эффективными и комплексными. За последнее время технология MosFET была значительно улучшена, позволив интегрировать микросхему управления и MosFET в очень эффективный и компактный корпус. Например, синхронный понижающий DС/DС- преобразователь ncP3284 от on semiconductor обеспечивает выходной ток 30 А (в импульсе до 45 А) и имеет крошечный корпус 5×6 мм. Благодаря высокой частоте преобразования, достигающей 1 МГц, размер внешних компонентов, например индуктивностей и конденсаторов, тоже можно уменьшить. ncP3284 оснащен несколькими защитными функциями и программируемым плавным пуском.
С ледующие по уровню мощности устройства – интеллектуальные компактные преобразователи семейства smart Power stage (sPs), например FDMF3170, в которых объединены MosFET, усовершенствованные ИС драйвера, а также датчики тока и температуры, что позволяет создавать сильноточные высокочастотные синхронные понижающие преобразователи постоянного тока (см. рис. 1).
Столь высокий уровень интеграции SPS позволяет идеальным образом сочетать динамические характеристики драйвера и MosFET, снизить паразитные эффекты и сопротивление MosFET в открытом состоянии. Вместо измерения тока с помощью собственного сопротивления индуктивности (DcR) или токочувствительного резистора применяется высокоточный выходной сигнал iMon, который показывает силу тока через транзистор, устраняя потери, которыми обычно сопровождается использование двух первых методов.
В современных серверных системах ЦОД даже простой предохранитель претерпел изменения. Вместо плавкого предохранителя в системах RaiD (дисковые массивы), в управлении питанием диска и серверных платах ввода-вывода используется интеллектуальный полупроводниковый электронный предохранитель eFuse. В предохранителях eFuse применяются MosFET с низким сопротивлением в открытом состоянии для защиты периферийных устройств в нормальном режиме эксплуатации и во время горячего подключения. Фактически, они могут применяться в любом приложении, где возникают сбои питания или нагрузки, а также где требуется ограничить броски тока. Эти предохранители, обеспечивающие защиту компонентов, разъемов и дорожек печатных плат, могут контролироваться системой и выполнять телеметрические функции, к которым относится мониторинг температуры и тока.
Еще один предохранитель eFuse – nis5021. Это устройство на 12 В/12 А, которое часто используется с жесткими дисками с возможностью горячего подключения. Он защищает жесткий диск от любого чрезмерного входного напряжения, которое может повредить чувствительные цепи. Встроенное устройство ограничивает выходное напряжение для защиты нагрузки, поддерживая непрерывную подачу питания и позволяя работать жесткому диску в нормальном режиме.
Таблица 1
Таблица 2
Сравнение значений ширины запрещенной зоны широкозонных материалов
Преимущества MOSFet из карбида кремния
Контроллеры горячей замены ncP81295/6 от on semiconductor, поддерживающие пиковый ток до 60 А (50 А – непрерывный), базируются на 0,8-Ом MosFET для эффективной работы. Эти контроллеры в 32-выводном корпусе QFn размером 5×5 мм обеспечивают запирание или автоматический повтор и используются при температуре до 125°c.
Сложные системы, например серверы, часто требуют интеллектуального управления своими энергосистемами для обеспечения корректной работы, а также максимально возможного уровня эффективности. Устройства управления нагрузкой позволяют сегментировать шины питания для более точного управления. Благодаря такому интеллектуальному управлению соблюдается правильная последовательность подачи питания при запуске, и снижаются эксплуатационные расходы за счет отключения неиспользуемых участков цепи. В свою очередь, снижение уровня потребляемой мощности уменьшает нагрев в системе, что увеличивает ее надежность и долговечность. Большинство переключателей нагрузки также позволяет управлять скоростью нарастания напряжения и предоставляет защиту в условиях неисправности. Встроенный переключатель нагрузки, например ncP455xx от on semiconductor, обеспечивает использование этих преимуществ при минимальном увеличении количества компонентов системы. Высокопроизводительные устройства представляют собой компактное решение, занимающее на 60% меньше площади печатной платы по сравнению с дискретным решением.
Широкозонные технологии
Пожалуй, наиболее значительным шагом вперед, который положительно повлияет на размер, надежность, эффективность и эксплуатационные расходы, станет переход к использованию полупроводников на основе широкозонных материалов (WBG), к которым относятся нитрид галлия (Gan) и карбид кремния (sic). Широкозонные полупроводники, характеристики которых более эффективны, чем у полупроводников на основе кремния (si), работают при более высоких частотах и более высоких температурах. В таблице 1 сравниваются значения ширины запрещенной зоны нескольких широкозонных материалов.
Например, в повышающем преобразователе на 5 кВт, который обычно используется в серверных источниках питания, замена кремниевого ключа переключателем из карбида кремния уменьшает потери на 73% на частотах около 80 кГц, что значительно повышает эффективность системы. В результате уменьшается размер системы, т. к . поверхность для теплоотвода становится меньше. Кроме того, в процессе эксплуатации система меньше нагревается, благодаря чему повышаетс я на де жнос ть и у в е личив ае тс я п лот но с т ь ко м - понентов на плате. Из таблицы 2  видно, что параметры ключей sic MosFET близки к идеальным.
Хорошее сочетание очень малой величины RDs(on) и низких коммутационных потерь этих ключей позволяет применять их при напряжении выше 600 В.
Не смотря на то, что цена карбидокремниевых MosFET выше по сравнению с эквивалентными биполярными транзисторами с изолированным затвором (iGBT), экономия на индуктивностях и конденсаторах, достигающая 75%, позволяет уменьшить общую себестоимость изделия из карбида кремния в сравнении с себестоимостью изделия из кремния. Заметим, что экономия расходов на электроэнергию может достигать десятков тысяч или даже миллионов долларов в течение срока службы серверных стоек.
Выводы
Потребность в огромных и постоянно растущих объемах хранения данных создает очень конкурентную среду в индустрии центров обработки данных. Используемое физическое пространство и энергопотребление являются двумя самыми большими затратными статьями. Чтобы уменьшить соответствующие расходы, требуются более эффективные, надежные и компактные решения для серверов и ЦОД. Высокоинтегрированные устройства, к которым относятся MosFET, интеллектуальные устройства sPs, электронные предохранители eFuse и микросхемы для управления нагрузкой, позволяют создавать именно такие комплексные решения. Электронные предохранители играют ключевую роль в поддержании бесперебойной работы, поскольку они облегчают горячее подключение жестких дисков и вентиляторов, которые, как известно, подвержены сбоям.
Заглядывая в ближайшее будущее, можно предположить, что применение широкозонных материалов уменьшит размеры устройств и улучшит их рабочие характеристики, повысит надежность и эффективность, сократив эксплуатационные расходы. Теперь, когда стоимость широкозонного изделия сопоставима или ниже цены аналогичного изделия на основе кремния, можно ожидать, что внедрение широкозонных устройств ускорится.