Le défi énergétique des centres de données d’intelligence artificielle ne se limite plus à la consommation des unités GPU ou à l’efficacité des accélérateurs, mais s’étend à l’ensemble du parcours qui achemine l’électricité du réseau jusqu’aux portes à l’intérieur des puces. Alors que la puissance des racks de serveurs passe d’environ 125 kilowatts aujourd’hui à 500 kilowatts, puis à un mégawatt, les concepteurs d’infrastructures s’orientent vers une architecture 800VDC afin de réduire le nombre d’étapes de conversion d’énergie, de diminuer les pertes et la chaleur, et d’économiser du cuivre et de l’espace dans les centres de données.
Peter Wawer, responsable de la division Green Industrial Power chez Infineon Technologies, a déclaré que la puissance des racks de serveurs s’élève actuellement à environ 125 kilowatts, avant de passer à 500 kilowatts, puis à une architecture de conversion DC-DC de 800 volts lorsque le niveau du mégawatt est atteint. La chaîne commence généralement par un réseau moyenne tension pouvant atteindre 35 kilovolts, où le courant alternatif haute tension doit être converti à des niveaux appropriés, puis transformé en courant continu, jusqu’aux tensions inférieures à un volt nécessaires aux unités GPU et aux autres accélérateurs.
De 48 volts à 800VDC
Les centres de données traditionnels ont souvent adopté des architectures de 48 volts ou de 12 volts. L’électricité passait par plusieurs étapes, notamment une alimentation sans interruption UPS, une unité de conditionnement et de distribution de l’énergie PDU, puis une conversion en 48 volts, avant d’atteindre des tensions telles que 1,2 ou 0,7 volt à l’intérieur du processeur graphique. Selon Steven Lee, directeur des produits de logiciels de conception d’électronique de puissance chez Keysight Technologies, cette approche convenait lorsque les besoins des centres de données étaient très inférieurs aux niveaux imposés par les charges de travail d’intelligence artificielle.
Dans l’architecture proposée en 800VDC, une partie des étapes en courant alternatif peut être intégrée dans une seule interface AC-DC utilisant du carbure de silicium. Au lieu de passer successivement par de nombreuses étapes, le parcours devient plus court, ce qui réduit les pertes de commutation et la chaleur associée à chaque étape. Pavani Gottipati, directrice de l’ingénierie des applications chez Synopsys, estime que le passage des fournisseurs de composants et des exploitants de centres de données de l’architecture traditionnelle 415VAC à 800VDC exige de repenser la conception des composants, notamment en intégrant des transformateurs à semi-conducteurs.
Augmenter la tension n’accroît pas en soi la puissance requise, mais réduit le courant nécessaire pour transporter la même puissance. C’est pourquoi Pradeep Shenoy, spécialiste des technologies d’alimentation pour le calcul chez Texas Instruments, estime qu’il ne sera pas pratique de rester autour de 50 volts avec les nouveaux niveaux de puissance, même avec le refroidissement liquide des barres omnibus de distribution. Il souligne également que le passage par des niveaux intermédiaires tels que 400 volts pourrait ne pas être attrayant si la puissance des racks continue d’augmenter rapidement, car les installations pourraient devoir être reconçues à nouveau pour atteindre 800 volts.
Une efficacité accrue, moins d’espace et de cuivre
L’architecture 800VDC permet une densité de puissance supérieure, des convertisseurs plus légers et un encombrement réduit pour les composants de distribution d’énergie. À puissance égale, une tension plus élevée entraîne un courant plus faible, ce qui permet d’utiliser des câbles plus fins au lieu des conducteurs épais requis à 48 volts. Cela revêt une importance particulière dans les centres de données d’intelligence artificielle, où le transport de puissance à des courants élevés peut consommer de grandes quantités de cuivre et imposer des contraintes thermiques et mécaniques aux racks.
De plus, l’amélioration limitée de l’efficacité de chaque étape s’accumule tout au long de la chaîne de conversion. Shenoy a indiqué que le passage d’une entrée de 12 volts à 6 volts dans l’une des étapes de conversion d’énergie pouvait améliorer l’efficacité d’environ 2 % et permettre une puissance supérieure d’environ 30 % dans le même espace. Il a ajouté qu’un gain d’un point de pourcentage de l’efficacité globale pouvait avoir un impact opérationnel et financier important pour les fournisseurs de services cloud et les exploitants de centres de données.
Les avantages ne se limitent pas aux centres de données. Puneet Sinha, directeur principal et responsable mondial de la technologie des batteries chez Siemens EDA, a évoqué la tendance de plusieurs entreprises à adopter des architectures de batteries de 800 volts, avec des avantages potentiels pour la recharge, mais cela impose également de nouvelles exigences aux onduleurs et à l’électronique associée au système.
Le rôle du SiC, du GaN et des transformateurs à semi-conducteurs
Les transformateurs à semi-conducteurs remplacent progressivement les transformateurs traditionnels à noyau de fer dans certaines conceptions 800VDC. Le transformateur à semi-conducteurs peut être raccordé directement au réseau à courant alternatif haute tension, puis fournir un courant alternatif basse tension ou convertir directement en 800VDC, selon l’architecture choisie.
Les matériaux à large bande interdite, tels que le carbure de silicium SiC et le nitrure de gallium GaN, offrent des vitesses de commutation plus élevées et des pertes thermiques plus faibles, tout en permettant des composants magnétiques plus petits et plus légers. Par rapport aux transformateurs traditionnels bobinés avec des fils, les transformateurs planaires contribuent à réduire la hauteur et à exploiter l’espace avec une densité accrue à l’intérieur des racks.
Toutefois, le passage du silicium au SiC ou au GaN ne constitue pas un simple remplacement direct. Les vitesses de commutation plus élevées accentuent les défis liés aux interférences électromagnétiques et au bruit, et exigent des boucles de contrôle stables ainsi que des signaux de commande de grille différents, en plus d’une conception adaptée des composants magnétiques. Le choix du matériau reste lié à la classe de tension et à l’application ; les transistors IGBT peuvent demeurer adaptés à certains convertisseurs à commutation plus lente, tandis que Wawer estime qu’un transformateur à semi-conducteurs haute tension et à commutation rapide convient particulièrement au SiC. Le GaN est également utilisé pour son efficacité, sa densité de puissance et sa capacité à fonctionner sur une large plage de tensions.
Qu’est-ce qui change concrètement dans l’architecture et l’exploitation ?
Les exigences énergétiques évoluent jusque dans la proximité des charges elles-mêmes. Les circuits de gestion de l’alimentation PMIC sont devenus des composants centraux des performances du système, et non plus des éléments secondaires, car ils génèrent des lignes d’alimentation plus proches du processeur et de la mémoire, offrent un réglage plus précis de la tension, des mesures en temps réel et une séquenciation intégrée, tout en réduisant les pertes de conversion et en prenant en charge les variations rapides de charge.
Le système mémoire subit une pression supplémentaire avec l’augmentation des vitesses de la DRAM. Toute chute de tension peut entraîner des erreurs de synchronisation de la mémoire, puis une corruption des données ou d’autres défaillances du serveur. C’est pourquoi les solutions d’alimentation mémoire ont évolué vers des PMIC intégrés aux modules DDR5, tandis que persistent les difficultés liées au courant de charge, à la précision de la régulation de tension et à la réponse aux variations soudaines.
Au niveau des puces, la seule réingénierie du réseau d’alimentation ne suffit pas. Shenoy souligne que l’amélioration de l’efficacité de calcul du processeur reste une voie essentielle, tandis que des entreprises telles qu’Imagination Technologies constatent une demande pour étendre les technologies GPU efficaces, des applications de périphérie et de l’automobile vers des formats plus importants destinés aux centres de données. John Weil, de Synaptics, indique que l’évolution des modèles d’intelligence artificielle, notamment les modèles de vision et de langage, accroît la demande de capacités supérieures sur de courtes périodes.
En revanche, le passage à 800VDC représente un défi majeur en matière de sécurité, notamment lors de la modernisation de centres de données existants. Hoa Tram, ingénieure principale des produits chez Cadence, explique que les équipements de sectionnement, les disjoncteurs, les fusibles et les interrupteurs d’isolement conçus pour interrompre les défauts du courant alternatif doivent être remplacés par des équipements classés pour le courant continu. Il faut également intégrer de nouveaux systèmes de mesure et d’alerte, et former le personnel à la manipulation des équipements différents.
La multiplicité des conceptions accroît la complexité ; certaines installations peuvent utiliser un bus unipolaire de 800 volts, tandis que d’autres privilégient une architecture bipolaire de ±400 volts, ce qui se répercute sur l’interopérabilité, les systèmes de protection ainsi que la formation et les certifications requises pour le personnel. Parallèlement, certains centres de données peuvent conserver une architecture de 48 volts tout en tirant parti de convertisseurs plus efficaces. À titre d’exemple, un modèle expérimental développé par les ingénieurs de la Binghamton University a présenté un convertisseur monophasé au point de charge affichant une efficacité supérieure de 10 % à 12 % et un taux de variation rapide environ deux fois supérieur au précédent.
Ces évolutions montrent que le 800VDC n’est pas un composant isolé, mais une refonte de la chaîne énergétique, du réseau jusqu’à la porte d’entrée de la puce. Cette vision nécessite des convertisseurs, des matériaux, des semi-conducteurs et des circuits de gestion de l’énergie plus efficaces, ainsi que des mises à jour en matière de protection, de refroidissement et d’exploitation. Toutefois, la lenteur de la construction des infrastructures et des réseaux électriques pourrait limiter la rapidité du déploiement, même si les besoins passent de dizaines ou de centaines de kilowatts au niveau de la baie à des mégawatts, puis à des dizaines ou des centaines de mégawatts au niveau du centre de données.