Componentes modernos que alimentan los sistemas HPC de los centros de datos en plena ebullición de la IA

El crecimiento de los centros de datos se dispara ante la expansión de los servicios en la nube y la repentina demanda de aplicaciones de inteligencia artificial (IA) dependientes de grandes modelos lingüísticos (LLM) que requieren mayor escalabilidad y vastos recursos informáticos. Esto requiere una nueva generación de sistemas informáticos de alto rendimiento (HPC) que utilicen componentes especializados capaces de satisfacer las necesidades de mayor potencia y gestión térmica.

Estas necesidades de los centros de datos están impulsando la demanda de componentes pasivos mejorados, como condensadores de potencia, resistencias e inductores, que los diseñadores de productos pueden utilizar en el desarrollo de dispositivos HPC más avanzados para satisfacer los requisitos del procesamiento de IA. Estos requisitos incluyen una mayor eficiencia, rendimiento, fiabilidad y gestión térmica en dispositivos más pequeños que permitan a los centros de datos optimizar el espacio y aumentar la densidad de sus sistemas.

Mejores inductores para la eficiencia del HPC

KEMET, filial del Grupo YAGEO, ha desarrollado inductores compuestos de metal para mejorar el rendimiento de los convertidores de CC/CC y las fuentes de alimentación de modo conmutado. Aprovechando su historial como proveedor de componentes magnéticos a medida para OEM, desarrolló una línea estandarizada de inductores de potencia METCOM MPX que se caracterizan por una mayor tolerancia a los transitorios de corriente y temperaturas de funcionamiento más elevadas, ofreciendo tanto un diseño compacto como un alto rendimiento.

Los inductores de potencia METCOM de metal compuesto presentan un núcleo de alta densidad de flujo de saturación, que permite un campo magnético más intenso que los inductores de ferrita tradicionales. Proporcionan una inductancia estable en función de la temperatura y la corriente.

El núcleo está formado por polvo metálico con un revestimiento aislante y un aglutinante. El rango de inductancia disponible para la serie MPX es de 0.1 a 100 µH.

Utilizando hilo de cobre redondo rodeado de un polvo compuesto de metal magnético sinterizado (Figura 1) capaz de una inductancia estable a través de la temperatura y la corriente, la construcción del inductor lo hace adecuado para muchos reguladores de CC a CC, como fuentes de alimentación de modo conmutado para servidores de centros de datos, como inductores de potencia, inductores de filtro EMI y reguladores de punto de carga.

Figura 1: Los inductores de potencia METCOM MPX utilizan un cable de cobre redondo rodeado de un polvo compuesto de metal magnético sinterizado. (Fuente de la imagen: KEMET)

El polvo metálico permite fabricar inductores con mayor densidad de energía y resistencia al calor, lo que reduce el tamaño de los núcleos de los inductores de ferrita, además de reducir las pérdidas en el núcleo a frecuencias más altas y suprimir mejor las interferencias electromagnéticas (EMI). Todo ello se combina para proporcionar una mayor durabilidad y fiabilidad, que son esenciales para las operaciones del centro de datos.

Con más de 200 opciones en la serie MPX (Figura 2), Kemet ofrece un amplio rango de/una amplia gama de opciones. Las dimensiones disponibles incluyen 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm y 22 x 22 mm.

Figura 2: factor de forma METCOM MPX (Fuente de la imagen: KEMET)

El MPX1D0630L3R3, por ejemplo, es un componente de 6 x 6 mm con una altura de 3,0 mm que permite un uso eficiente del espacio en una PCB densamente empaquetada sin sacrificar el rendimiento. Con una temperatura de funcionamiento nominal de hasta +155 °C, una inductancia de 3.30 µH ±20% y una resistencia de CC máxima de 30.3 mΩ, es adecuado para entornos HPC en los que es fundamental mantener la integridad de la alimentación, la gestión térmica y la eficiencia.

Para requisitos menos rigurosos o una mayor versatilidad en cuanto a valores de inductancia, el MPX1D0530L220 se presenta en un tamaño de 5 x 5 mm con una altura de 3.0 mm, con una inductancia de 22.00 µH. Con una resistencia de CC máxima más alta, de 341.2 mΩ, sería adecuado en casos en los que la gestión térmica sea un problema menor o haya refrigeración adicional integrada en el sistema.

Opciones de inductores de potencia para HPC

Otra empresa de YAGEO, Pulse Electronics, ofrece inductores de perlas de potencia optimizados para el manejo de corrientes elevadas en sistemas HPC en los que se requiere una supresión general de EMI (interferencia electromagnética) sin grandes exigencias de rendimiento. Están diseñados específicamente para su uso con topología de regulador de voltaje transinductor (TLVR).

Los inductores de potencia con núcleo de ferrita son una alternativa a los inductores de toroide bobinado que suelen alimentar los reguladores de voltaje de las computadoras de escritorio (VCORE). Fabricados con tecnología de agujeros pasantes (THT), los inductores de potencia de perlas proporcionan una mayor eficiencia y ofrecen tolerancias más ajustadas, lo que permite un menor tamaño en los reguladores VCORE.

En lugar de escalonar las corrientes de ondulación de los inductores monofásicos en una topología buck multifásica, los inductores de perlas de potencia permiten inductancias más pequeñas y posibilitan un compromiso de diseño entre la rapidez con que el convertidor responde a un cambio en la corriente de carga (respuesta transitoria) y la estabilidad del bucle de control.

Los componentes de Pulse Electronics se utilizan normalmente en reguladores de voltaje multifásicos de alta corriente que alimentan procesadores, módulos de memoria y ASICS y FPGA de alta corriente para servidores, tarjetas gráficas, almacenamiento y centros de datos. Estas inductancias TLVR de doble bobinado están disponibles en tamaños que van de 4 x 4 mm a 13 x 13 mm con rangos de inductancia de 20 nH a 1 µH.

Las piezas del factor de forma de la Serie PAL6373.XXXHLT (Figura 3), como la PGL6380.101HLT, tienen una huella de 12 x 6 mm con inductancias que van de 100 nH a 200 nH, valores nominales de corriente de saturación de 59 A a 125 A de pico y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C. Construidas con un núcleo de ferrita ensamblado sobre un bobinado de 1T o 2T, presentan una resistencia CC (DCR) extremadamente baja, una elevada corriente de pico y bajas pérdidas CA. Están disponibles en versiones monofásicas, de fases integradas e inductor acoplado.

Figura 3: Factor de forma del inductor de perlas de potencia de la serie PAL6373.XXXHLT de Pulse Electronics. (Fuente de la imagen: Pulse Electronics)

En los sistemas HPC, la elección entre inductores de potencia de perlas y compuestos metálicos depende de los requisitos específicos del sistema, como la necesidad de una gran estabilidad de inductancia, resistencia a la temperatura y reducción del ruido. Los inductores KEMET ofrecen un rendimiento estable en un amplio rango de temperaturas, hasta +180 °C, y su estructura metálica moldeada ayuda a reducir el ruido acústico, lo que puede resultar ventajoso en sistemas HPC sensibles al ruido.

Capacitores estables de larga duración

Los capacitores sólidos de aluminio de polímero conductor de KEMET también son adecuados para los exigentes requisitos de los sistemas HPC, donde el rendimiento, la eficiencia y la fiabilidad son fundamentales.

A diferencia de los tradicionales capacitores electrolíticos de aluminio "húmedos" que utilizan electrolitos líquidos conductores, los polímeros sólidos de los capacitores KEMET presentan una resistencia equivalente en serie (ESR) baja que es estable a través de temperaturas, frecuencias y vida útil operativa.

Capaces de mayores corrientes de ondulación y de mayor duración que los condensadores húmedos, en los que el electrolito puede secarse y fallar, los dispositivos de polímero sólido son más resistentes a las vibraciones y están diseñados para una mayor estabilidad. Mantienen eficazmente la capacitancia a altas frecuencias, lo que los convierte en una opción atractiva para las fuentes de alimentación de conmutación rápida.

Los capacitores KEMET funcionan eficazmente bajo las elevadas demandas de corriente típicas de los sistemas HPC sin pérdidas de potencia significativas, y admiten voltajes más elevados que los electrolíticos estándar gracias a la combinación de polímero conductor y electrolito. La mejora de las propiedades eléctricas y la robustez de los condensadores electrolíticos sólidos de polímero de aluminio pueden aumentar significativamente la eficiencia y fiabilidad generales de los sistemas HPC en comparación con otras alternativas.

Diseñados para ofrecer una vida útil más larga y una mayor estabilidad en un amplio rango de temperaturas, los condensadores de montaje en superficie de la serie A768 de KEMET (Figura 4) vienen con valores que van desde 18 µF hasta 1.200 µF, y en voltajes que van desde 4 _VCC hasta 80 _VCC. Por ejemplo, el A768MS108M1CLAE015 es una versión de 16 V y 1000 µF con una resistencia equivalente en serie (ESR) de 15 mOhmios y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C ~ +125 °C. TI tiene unas dimensiones de 0.406" L x 0.406" A (10.30 mm x 10.30 mm).

Figura 4: Capacitor de aluminio polímero sólido de montaje en superficie de la serie KEMET A768. (Fuente de la imagen: KEMET)

Estos capacitores están diseñados para mantener el rendimiento en condiciones térmicas exigentes, y existen versiones que soportan vibraciones de hasta 30 g para entornos HPC en los que la tensión mecánica o el movimiento podrían causar inestabilidad.

Resistor de chip de película fina

Otro componente importante para los diseños de HPC son las resistencias de chip, que complementan a los inversores de potencia y condensadores para proteger contra el flujo excesivo de corriente y garantizar la estabilidad y eficiencia generales del sistema. En 2023, el Grupo YAGEO presentó su serie NT de resistencias de nitruro de tántalo de película fina para chips, diseñada para mantener un rendimiento de alta consistencia en entornos exigentes.

El diseño de autopasivación de la serie NT forma una capa impermeable que protege la capa resistiva para evitar la penetración de la humedad. Los dispositivos están disponibles en tamaños de carcasa de 0402 a 1206, con un rango de resistencia de 100 Ω a 481 kΩ.

Con un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +155 °C, las resistencias/resistores NT contribuyen a una distribución de potencia estable y a una transferencia de energía eficaz. Proporcionan un coeficiente de resistencia a baja temperatura (TCR) de ±25, ±50 ppm/°C, con potencias de 1/20 W a 2/5 W.

Conclusión:

Las demandas de la computación en nube y la IA están impulsando la necesidad de componentes electrónicos con atributos específicos para proporcionar alta fiabilidad en condiciones exigentes. Los diseñadores pueden satisfacer los cambiantes requisitos de los sistemas HPC con inductores de potencia, resistencias y condensadores especializados, como los suministrados por el Grupo YAGEO y sus empresas de cartera KEMET y Pulse Electronics.