El desafío energético en los centros de datos de inteligencia artificial ya no se limita al consumo de las unidades GPU ni a la eficiencia de los aceleradores, sino que se ha extendido a toda la ruta que transporta la electricidad desde la red hasta las puertas dentro de los chips. Con el aumento de la capacidad de los racks de servidores de unos 125 kilovatios actuales a 500 kilovatios y luego a un megavatio, los diseñadores de infraestructura están optando por una arquitectura de 800 VCC para reducir el número de etapas de conversión de energía, disminuir las pérdidas y el calor, y ahorrar cobre y espacio dentro de los centros de datos.
Peter Wawer, responsable de la división de Energía Industrial Verde de Infineon Technologies, afirmó que la capacidad de los racks de servidores es actualmente de unos 125 kilovatios, antes de aumentar a 500 kilovatios y luego a una arquitectura de conversión CC-CC de 800 voltios al alcanzar el nivel de megavatios. La cadena suele comenzar en una red de media tensión de hasta 35 kilovoltios, donde la corriente alterna de alta tensión debe convertirse a niveles adecuados y luego a corriente continua, hasta llegar a tensiones inferiores a un voltio que necesitan las unidades GPU y otros aceleradores.
De 48 voltios a 800 VCC
Los centros de datos tradicionales han utilizado principalmente arquitecturas de 48 o 12 voltios. La electricidad pasaba por varias etapas, incluida una unidad de alimentación ininterrumpida UPS, una unidad de acondicionamiento y distribución de energía PDU y, después, la conversión a 48 voltios, antes de llegar a tensiones como 1,2 o 0,7 voltios dentro del procesador gráfico. Steven Lee, director de productos de software de diseño de electrónica de potencia en Keysight Technologies, afirma que este enfoque era adecuado cuando las necesidades de los centros de datos eran muy inferiores a los niveles impuestos por las cargas de inteligencia artificial.
En la arquitectura propuesta de 800 VCC, parte de las etapas de corriente alterna puede integrarse en una única interfaz CA-CC que utilice carburo de silicio. En lugar de pasar sucesivamente por numerosas etapas, la ruta se acorta, lo que reduce las pérdidas de conmutación y el calor asociado a cada etapa. Pavani Gottipati, directora de ingeniería de aplicaciones en Synopsys, considera que el cambio de los proveedores de componentes y los operadores de centros de datos desde la arquitectura tradicional de 415 VCA a 800 VCC exige replantear el diseño de los componentes, incluida la incorporación de transformadores de estado sólido.
Elevar la tensión no aumenta por sí mismo la potencia requerida, pero reduce la corriente necesaria para transportar la misma potencia. Por ello, Pradeep Shenoy, especialista en tecnología de energía informática de Texas Instruments, considera que mantener una tensión de unos 50 voltios no será práctico con los nuevos niveles de potencia, incluso con la refrigeración líquida de las barras de distribución. También señala que pasar por niveles intermedios como 400 voltios podría no resultar atractivo si la capacidad de los racks continúa aumentando rápidamente, ya que las instalaciones podrían verse obligadas a rediseñarse de nuevo para llegar a 800 voltios.
Mayor eficiencia y menos espacio y cobre
La arquitectura de 800 VCC permite una mayor densidad de potencia, transformadores más ligeros y menos espacio para los componentes de distribución de energía. Con la misma potencia, una tensión más alta produce una corriente menor, por lo que pueden utilizarse cables más delgados en lugar de los conductores gruesos necesarios a 48 voltios. Esto adquiere especial importancia en los centros de datos de inteligencia artificial, donde transportar potencia a corrientes elevadas puede consumir grandes cantidades de cobre e imponer limitaciones térmicas y mecánicas a los racks.
Además, la mejora limitada de la eficiencia de cada etapa se acumula a lo largo de la cadena de conversión. Shenoy indicó que pasar de una entrada de 12 voltios a 6 voltios en una de las etapas de conversión de energía puede aportar aproximadamente un 2 % de eficiencia y permitir alrededor de un 30 % más de potencia dentro del mismo espacio. Añadió que un aumento de un punto porcentual en la eficiencia total puede tener un efecto operativo y financiero importante para los proveedores de servicios en la nube y los operadores de centros de datos.
Los beneficios no se limitan a los centros de datos. Puneet Sinha, director sénior y responsable mundial de tecnología de baterías en Siemens EDA, señaló que varias empresas están avanzando hacia arquitecturas de baterías de 800 voltios, con posibles beneficios en la carga, aunque esto también impone nuevos requisitos a los inversores y a la electrónica asociada al sistema.
El papel del SiC, el GaN y los transformadores de estado sólido
Los transformadores de estado sólido están sustituyendo gradualmente a los transformadores tradicionales de núcleo de hierro en algunos diseños de 800 VCC. El transformador de estado sólido puede conectarse directamente a la red de corriente alterna de alta tensión y después producir corriente alterna de baja tensión o convertir directamente a 800 VCC, según la arquitectura elegida.
Los materiales de banda prohibida ancha, como el carburo de silicio SiC y el nitruro de galio GaN, ofrecen mayores velocidades de conmutación y menores pérdidas térmicas, además de permitir componentes magnéticos más pequeños y ligeros. Los transformadores planos, en comparación con los transformadores tradicionales bobinados con alambre, ayudan a reducir la altura y a aprovechar el espacio con mayor densidad dentro de los racks.
Sin embargo, pasar del silicio al SiC o al GaN no es un reemplazo directo. Las mayores velocidades de conmutación aumentan los desafíos relacionados con la interferencia electromagnética y el ruido, y requieren lazos de control estables y señales de accionamiento de puerta diferentes, además de un diseño magnético adecuado. La elección del material sigue estando vinculada a la clase de tensión y a la aplicación; los transistores IGBT pueden seguir siendo adecuados para algunos transformadores de conmutación más lenta, mientras que Wawer considera que un transformador de estado sólido de alta tensión y conmutación rápida se adapta especialmente bien al SiC. El GaN también se utiliza por su eficiencia, su densidad de potencia y su capacidad para operar en un amplio rango de tensiones.
¿Qué cambia en la práctica en la arquitectura y la operación?
Los requisitos energéticos también cambian cerca de las propias cargas. Los circuitos de gestión de energía PMIC se han convertido en componentes centrales del rendimiento del sistema, y no en elementos secundarios, porque generan líneas de alimentación más cercanas al procesador y a la memoria, ofrecen un control de tensión más preciso, medición en tiempo real y secuenciación integrada, reducen las pérdidas de conversión y permiten responder a variaciones rápidas de la carga.
El sistema de memoria soporta una presión adicional con el aumento de las velocidades de la DRAM. Cualquier caída de tensión puede provocar errores en la temporización de la memoria y, por tanto, corrupción de datos u otras fallas en el servidor. Por ello, las soluciones de alimentación de memoria han incorporado PMIC integrados en los módulos DDR5, aunque persisten los desafíos relacionados con la corriente de carga, la precisión de la regulación de tensión y la respuesta a cambios repentinos.
En el nivel de los chips, no basta con rediseñar la red de alimentación. Shenoy confirma que aumentar la eficiencia computacional del procesador sigue siendo una vía fundamental, mientras que empresas como Imagination Technologies observan una demanda de ampliar las tecnologías GPU eficientes desde las aplicaciones periféricas y automovilísticas hacia escalas mayores dirigidas a los centros de datos. John Weil, de Synaptics, señala que la evolución de los modelos de inteligencia artificial, incluidos los modelos de visión y lenguaje, eleva la demanda de mayores capacidades en periodos breves.
Por otro lado, el paso a 800 VCC representa un desafío importante para la seguridad, especialmente al actualizar los centros de datos existentes. Hoa Tram, ingeniera principal de productos en Cadence, afirma que los equipos de seccionamiento, disyuntores, fusibles e interruptores de aislamiento diseñados para interrumpir fallas de corriente alterna deben sustituirse por equipos clasificados para corriente continua. También deben integrarse nuevos sistemas de medición y alerta, y capacitarse a los trabajadores para manejar los distintos equipos.
La multiplicidad de diseños aumenta la complejidad; algunas instalaciones pueden utilizar un bus unipolar de 800 voltios, mientras que otras prefieren una arquitectura bipolar de ±400 voltios, lo que repercute en la interoperabilidad, los sistemas de protección y la formación y las certificaciones requeridas para el personal. Al mismo tiempo, algunos centros de datos pueden mantener una arquitectura de 48 voltios aprovechando convertidores más eficientes. Por ejemplo, un modelo de laboratorio desarrollado por ingenieros de Binghamton University mostró que un convertidor monofásico de punto de carga alcanzaba una eficiencia entre un 10 % y un 12 % superior y una tasa de variación rápida aproximadamente el doble de la anterior.
Estos avances demuestran que 800VDC no es un componente aislado, sino un rediseño de la cadena de energía, desde la red hasta la puerta de entrada dentro del chip. Esta visión requiere convertidores, materiales, semiconductores y circuitos de gestión de energía más eficientes, además de actualizaciones en la protección, la refrigeración y la operación. Sin embargo, la lentitud en la construcción de la infraestructura y de las redes eléctricas puede limitar la velocidad de adopción, incluso cuando la demanda aumenta desde decenas o cientos de kilovatios a nivel del rack hasta los megavatios y, posteriormente, hasta decenas o cientos de megavatios a nivel del centro de datos.