لم يعد تحدي الطاقة في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي محصوراً في استهلاك وحدات GPU أو كفاءة المسرّعات، بل امتد إلى المسار الكامل الذي ينقل الكهرباء من الشبكة إلى البوابات داخل الشرائح. ومع ارتفاع قدرة خزائن الخوادم من نحو 125 كيلوواط اليوم إلى 500 كيلوواط ثم ميغاواط واحد، يتجه مصممو البنية التحتية إلى هندسة 800VDC لتقليل عدد مراحل تحويل الطاقة، وخفض الفقد والحرارة، وتوفير النحاس والمساحة داخل مراكز البيانات.
قال Peter Wawer، رئيس قسم الطاقة الصناعية الخضراء في Infineon Technologies، إن قدرة خزائن الخوادم تبلغ حالياً نحو 125 كيلوواط، قبل أن ترتفع إلى 500 كيلوواط ثم إلى بنية تحويل DC-DC بجهد 800 فولت عند بلوغ مستوى الميغاواط. وتبدأ السلسلة عادة من شبكة متوسطة الجهد تصل إلى 35 كيلو فولت، حيث يجب تحويل التيار المتردد عالي الجهد إلى مستويات مناسبة، ثم إلى تيار مستمر، وصولاً إلى جهود تقل عن فولت واحد تحتاجها وحدات GPU والمسرّعات الأخرى.
من 48 فولت إلى 800VDC
اعتمدت مراكز البيانات التقليدية غالباً بنى 48 فولت أو 12 فولت. وكانت الكهرباء تمر عبر مراحل متعددة تشمل وحدة إمداد غير منقطع UPS، ووحدة تهيئة وتوزيع للطاقة PDU، ثم التحويل إلى 48 فولت، قبل الوصول إلى جهود مثل 1.2 أو 0.7 فولت داخل معالج الرسوميات. ويقول Steven Lee، مدير منتجات برمجيات تصميم إلكترونيات القدرة في Keysight Technologies، إن هذا النهج كان مناسباً عندما كانت احتياجات مراكز البيانات أقل بكثير من المستويات التي تفرضها أحمال الذكاء الاصطناعي.
في البنية المقترحة بجهد 800VDC، يمكن دمج جزء من مراحل التيار المتردد في واجهة AC-DC واحدة تستخدم كربيد السيليكون. وبدلاً من الانتقال المتتابع بين مراحل عديدة، يصبح المسار أقصر، ما يقلل خسائر التبديل والحرارة المرتبطة بكل مرحلة. وترى Pavani Gottipati، مديرة هندسة التطبيقات في Synopsys، أن انتقال مزودي المكونات ومشغلي مراكز البيانات من بنية 415VAC التقليدية إلى 800VDC يتطلب إعادة التفكير في تصميم المكونات، بما في ذلك إدخال محولات الحالة الصلبة.
رفع الجهد لا يزيد القدرة المطلوبة بحد ذاته، لكنه يخفض التيار اللازم لنقل القدرة نفسها. ولهذا يرى Pradeep Shenoy، اختصاصي تقنية طاقة الحوسبة في Texas Instruments، أن البقاء عند نحو 50 فولت لن يكون عملياً مع مستويات القدرة الجديدة، حتى مع تبريد قضبان التوزيع بالسوائل. كما يشير إلى أن الانتقال عبر مستويات وسيطة مثل 400 فولت قد لا يكون جذاباً إذا استمرت قدرات الخزائن في الارتفاع سريعاً، إذ قد تضطر المنشآت إلى إعادة التصميم مجدداً للوصول إلى 800 فولت.
كفاءة أعلى ومساحة ونحاس أقل
تتيح بنية 800VDC كثافة قدرة أكبر، ومحولات أخف، ومساحة أصغر لمكونات توزيع الطاقة. فعند القدرة نفسها، يؤدي الجهد الأعلى إلى تيار أقل، وبالتالي يمكن استخدام أسلاك أرفع بدلاً من الموصلات السميكة المطلوبة عند 48 فولت. ويكتسب ذلك أهمية خاصة في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، حيث قد يؤدي نقل القدرة عند تيارات عالية إلى استهلاك كميات كبيرة من النحاس وفرض قيود حرارية وميكانيكية على الخزائن.
كما أن التحسن المحدود في كفاءة كل مرحلة يتراكم عبر سلسلة التحويل. وذكر Shenoy أن الانتقال من دخل 12 فولت إلى 6 فولت في إحدى مراحل تحويل الطاقة قد يوفر نحو 2% من الكفاءة ويتيح قدرة أكبر بنحو 30% ضمن المساحة نفسها. وأضاف أن زيادة نقطة مئوية واحدة في الكفاءة الكلية قد تكون ذات أثر تشغيلي ومالي مهم لمزودي الخدمات السحابية ومشغلي مراكز البيانات.
ولا تقتصر الفوائد على مراكز البيانات. فقد أشار Puneet Sinha، المدير الأول والرئيس العالمي لتقنية البطاريات في Siemens EDA، إلى توجه عدد من الشركات نحو بنى بطاريات بجهد 800 فولت، مع فوائد محتملة في الشحن، لكن ذلك يفرض بدوره متطلبات جديدة على العواكس والإلكترونيات المرتبطة بالنظام.
دور SiC وGaN ومحولات الحالة الصلبة
تحل محولات الحالة الصلبة تدريجياً محل المحولات التقليدية ذات القلب الحديدي في بعض تصاميم 800VDC. ويمكن ربط محول الحالة الصلبة مباشرة بشبكة التيار المتردد عالي الجهد، ثم إخراج تيار متردد منخفض الجهد أو التحويل مباشرة إلى 800VDC بحسب البنية المختارة.
وتوفر مواد النطاق العريض مثل كربيد السيليكون SiC ونتريد الغاليوم GaN سرعات تبديل أعلى وفقداً حرارياً أقل، كما تسمح بمكونات مغناطيسية أصغر وأخف. وتساعد المحولات المسطحة، مقارنة بالمحولات التقليدية الملفوفة بالأسلاك، على تقليل الارتفاع واستغلال المساحة بكثافة أكبر داخل الخزائن.
لكن الانتقال من السيليكون إلى SiC أو GaN ليس استبدالاً مباشراً. فسرعات التبديل الأعلى تزيد تحديات التداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء، وتتطلب حلقات تحكم مستقرة وإشارات قيادة مختلفة للبوابات، فضلاً عن تصميم مغناطيسيات مناسب. ويظل اختيار المادة مرتبطاً بفئة الجهد والتطبيق؛ إذ يمكن أن تبقى ترانزستورات IGBT مناسبة لبعض المحولات ذات التبديل الأبطأ، بينما يرى Wawer أن محول الحالة الصلبة عالي الجهد وسريع التبديل يلائم SiC على نحو خاص. ويُستخدم GaN أيضاً بسبب كفاءته وكثافة قدرته وقدرته على العمل ضمن نطاق واسع من الجهود.
ما الذي يتغير عملياً في البنية والتشغيل؟
تتغير متطلبات الطاقة حتى قرب الأحمال نفسها. فقد أصبحت دوائر إدارة الطاقة PMIC مكونات مركزية في أداء النظام، لا عناصر خلفية، لأنها تولد خطوط تغذية أقرب إلى المعالج والذاكرة، وتوفر ضبطاً أدق للجهد وقياساً لحظياً وتسلسلاً مدمجاً، مع تقليل خسائر التحويل ودعم التغيرات السريعة في الحمل.
وتتعرض منظومة الذاكرة لضغط إضافي مع ارتفاع سرعات DRAM. فأي هبوط في الجهد قد يؤدي إلى أخطاء في توقيت الذاكرة، ومن ثم تلف البيانات أو أعطال أخرى في الخادم. ولهذا انتقلت حلول طاقة الذاكرة إلى PMICs مدمجة في وحدات DDR5، مع استمرار التحديات المرتبطة بتيار الحمل ودقة تنظيم الجهد والاستجابة للتغيرات المفاجئة.
أما على مستوى الشرائح، فلا تكفي إعادة هندسة شبكة الطاقة وحدها. يؤكد Shenoy أن زيادة الكفاءة الحسابية للمعالج تظل مساراً أساسياً، بينما تشهد شركات مثل Imagination Technologies طلباً على توسيع تقنيات GPU الكفؤة من تطبيقات الحافة والسيارات إلى أحجام أكبر تستهدف مراكز البيانات. ويشير John Weil من Synaptics إلى أن تطور نماذج الذكاء الاصطناعي، ومنها نماذج الرؤية واللغة، يرفع الطلب على قدرات أكبر خلال فترات زمنية قصيرة.
في المقابل، يمثل الانتقال إلى 800VDC تحدياً كبيراً للسلامة، خصوصاً عند تحديث مراكز البيانات القائمة. تقول Hoa Tram، كبيرة مهندسي المنتجات في Cadence، إن معدات الفصل والقواطع والصمامات ومفاتيح العزل المصممة لاعتراض أعطال التيار المتردد يجب استبدالها بمعدات مصنفة للتيار المستمر. كما يجب دمج أنظمة القياس والإنذار الجديدة، وتدريب العاملين على التعامل مع التجهيزات المختلفة.
وتزيد تعددات التصميم التعقيد؛ فبعض المنشآت قد تستخدم ناقلاً أحادي القطبية بجهد 800 فولت، بينما تفضل أخرى بنية ثنائية القطبية ±400 فولت، ما ينعكس على قابلية التشغيل البيني وأنظمة الحماية والتدريب والشهادات المطلوبة للعاملين. وفي الوقت نفسه، قد تظل بعض مراكز البيانات على بنية 48 فولت مع الاستفادة من محولات أكثر كفاءة. فعلى سبيل المثال، أظهر نموذج مختبري طوره مهندسو Binghamton University محولاً أحادي المرحلة لنقطة الحمل كفاءة أعلى بنسبة 10% إلى 12% ومعدل تغير سريعاً بضعف المعدل السابق تقريباً.
توضح هذه التطورات أن 800VDC ليست مكوناً منفرداً، بل إعادة تصميم لسلسلة الطاقة من الشبكة إلى البوابة داخل الشريحة. وتحتاج هذه الرؤية إلى محولات ومواد وأشباه موصلات ودوائر إدارة طاقة أكثر كفاءة، إلى جانب تحديثات في الحماية والتبريد والتشغيل. غير أن بطء بناء البنية التحتية وشبكات الكهرباء قد يحد من سرعة التطبيق، حتى مع تصاعد الحاجة من عشرات أو مئات الكيلوواطات في مستوى الخزانة إلى الميغاواطات، ثم إلى عشرات أو مئات الميغاواطات على مستوى مركز البيانات.
كيف أعددنا هذا الخبر؟
اعتمد الخبر على المصدر الأصلي الموضح أعلاه. قد نستخدم أدوات آلية للمساعدة في الاستخراج والتصنيف والصياغة،
لكن النشر يخضع لقواعد تمنع المحتوى المكرر والقصير أو الروتيني منخفض القيمة.
اقرأ سياستنا التحريرية.