Искусственный интеллект (ИИ) стремительно развивается и проникает во многие аспекты нашей повседневной жизни — от генерации контента до онлайн-чат-ботов, предоставляющих услуги поддержки клиентов. Стоящая за этим огромная волна обработки данных требует мощной вычислительной инфраструктуры. Прежде чем ИИ-модели будут готовы к использованию, они требуют обучения и инференса, которые обычно выполняются в передовых дата-центрах.
Внутри современного дата-центра обычно можно найти многие тысячи высокопроизводительных серверов. Каждый из них требует значительного количества энергии как для работы, так и для охлаждения. В условиях повсеместного стремительного роста энергопотребление в секторе дата-центров ИИ стремительно растет, что вызывает опасения по поводу экологичности и воздействия этой технологической революции на окружающую среду.
По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), на долю дата-центров приходится 1,5% от общего спроса на электроэнергию — примерно 415 тераватт-часов (ТВт·ч) в 2024 году. Ожидается, что этот показатель увеличится более чем вдвое и составит около 945 ТВт·ч, достигнув примерно 3% к 2030 году. Поскольку дата-центры часто располагаются кластерами, на участки электросети может ложиться значительная нагрузка.
Проектирование будущего: адаптация архитектуры питания дата-центров для ИИ
По сравнению с типичным использованием веб-ресурсов, например поиском, энергия, необходимая для ИИ, намного выше — зачастую в десять раз. В первую очередь это связано с необходимостью применения мощных графических процессоров (GPU), каждый из которых может потреблять сотни ватт. Обучение моделей требует особенно больших затрат энергии: например, по данным OpenAI, обучение GPT-4 требует использования 25 000 графических процессоров NVIDIA A100 в течение 3 месяцев, потребляя 50 гигаватт-часов (ГВт·ч) энергии и обходясь в 100 миллионов долларов.
ИИ не только не замедляет темпы роста, но и удваивает свое энергопотребление каждые шесть месяцев, а сама отрасль потребляет столько же энергии, сколько небольшое государство. При таких масштабах потери вызывают реальные опасения. При передаче и распределении электроэнергии теряется до 6% энергии из-за сопротивления в кабелях. Электроэнергия от сети до графического процессора преобразуется более четырех раз, что приводит к средним потерям 12% энергии.
Каждый из тысяч серверов может потреблять 40 киловатт (кВт), поэтому для подачи питания на стойки используется мощная шина. Стандартная шина постоянного тока с напряжением 12 вольт (VDC) эволюционировала до 48 VDC для снижения токов. Однако для удовлетворения спроса на электроэнергию со стороны ИИ, вероятнее всего, потребуется архитектура шины с более высоким напряжением +/-400 VDC.
Силовые полупроводники играют важнейшую роль в эффективном преобразовании энергии для удовлетворения потребностей процессоров ИИ и графических процессоров. Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) приходят на смену кремнию, поскольку они позволяют создавать высококомпактные и энергоэффективные преобразователи энергии, существенно улучшая совокупную стоимость владения (TCO) дата-центров.
Инновационные решения для повышения эффективности и экологичности
Передача электроэнергии в дата-центре от сети к стойке с графическими процессорами проходит через множество этапов преобразования. Интеллектуальные силовые решения на базе SiC и кремния (Si) играют ключевую роль в каждой ветви дерева питания. Электроэнергия сначала проходит через твердотельный трансформатор (SST) и блок управления автоматическим вводом резерва (ATS), который резервируется дизельным генератором. Линия 20 кВ переменного тока преобразуется в трехфазную сеть 400 В переменного тока, а затем проходит через источник бесперебойного питания (ИБП). Дискретные компоненты и силовые модули EliteSiC могут использоваться для обеспечения более высокой эффективности и плотности мощности в этой точке входа в дата-центр. Затем блок распределения питания преобразует трехфазную сеть 400 В переменного тока в однофазную линию 230 В переменного тока на уровне стойки.
На уровне стойки, где расположены серверы с графическими процессорами, происходит остальное преобразование энергии. В составе блока питания (PSU) и модуля резервного питания от батарей сочетание SiC-каскодов на полевых транзисторах JFET и силовых МОП-транзисторов PowerTrench T10 Si идеально подходит для создания мощных решений переменного тока в постоянный. Силовые SiC-каскоды JFET необходимы для перехода от блоков питания мощностью 3 кВт к 5 кВт, требуемых в гипермасштабируемой архитектуре нового поколения.
МОП-транзисторы EliteSiC 650 V и МОП-транзисторы T10 от onsemi используются для преобразования сетевого напряжения 230 В переменного тока сначала в 48 В постоянного тока, а затем в 12 В постоянного тока по пути прохождения энергии. Эффективность преобразования здесь имеет ключевое значение для поддержания спецификации Open Rack V3 (ORV3) с пиковым КПД 97,5%. Такая высокая эффективность снижает потери энергии и помогает уменьшить операционные расходы и требования к охлаждению. МОП-транзисторы T10 Si и ИС управления питанием также используются для преобразования напряжения 48 В в напряжение промежуточного шинного преобразователя (IBC), равное 12 В, для питания ветви Vcore (напряжение ядра ЦП) дерева питания. Более того, для архитектур шин 400/800 В SiC JFET и SiC Combo JFET обеспечивают надежную защиту от перегрузки по току для схем горячей замены / электронных предохранителей перед этапом IBC.
Будущее управления питанием в дата-центрах ИИ
Эффективность является важнейшим параметром энергопотребления в дата-центрах ИИ. Это означает, что потери должны быть сведены к минимуму везде, где это возможно, не в последнюю очередь потому, что на охлаждение может уходить до 50% энергии, потребляемой в дата-центрах, в то время как другая половина потребляется ИТ-оборудованием, таким как серверы, системы хранения данных и инфраструктура питания.
onsemi является лидером в области решений для дата-центров ИИ и одним из немногих поставщиков, способных удовлетворить потребности всего дерева питания — от электросети до графического процессора. В будущем потребуются передовые технологии с широкой запрещенной зоной, такие как EliteSiC и вертикальный GaN от onsemi, благодаря их надежному преобразованию энергии на более высоких частотах и более высокой эффективности, позволяющей создавать более компактные конструкции. Эти устройства могут надежно работать при более высоких температурах, требуя меньше охлаждения и обеспечивая более компактные решения, а также снижая эксплуатационные расходы.
Дополнительные ресурсы:
- Решения для дата-центров
- Руководство по системным решениям для дата-центров
- Видео: Решения onsemi для питания дата-центров ИИ нового поколения
- Технический документ: Сравнение технологий блоков питания в дата-центрах ИИ и телекоммуникациях
