Yapay zekâ veri merkezlerindeki güç sorunu artık yalnızca GPU birimlerinin tüketimi veya hızlandırıcıların verimliliğiyle sınırlı değil; elektriği şebekeden çiplerin içindeki kapılara taşıyan tüm güzergâha yayıldı. Sunucu kabinetlerinin gücü bugün yaklaşık 125 kilovattan 500 kilovata, ardından 1 megavata yükselirken altyapı tasarımcıları, güç dönüşüm aşamalarının sayısını azaltmak, kayıpları ve ısıyı düşürmek, ayrıca veri merkezlerindeki bakır ve alan kullanımını azaltmak için 800VDC mühendisliğine yöneliyor.
Infineon Technologies Yeşil Endüstriyel Güç Bölümü Başkanı Peter Wawer, sunucu kabinetlerinin gücünün şu anda yaklaşık 125 kilovat olduğunu; bunun önce 500 kilovata, ardından megavat seviyesine ulaşıldığında 800 voltluk DC-DC dönüşüm mimarisine yükseleceğini söyledi. Zincir genellikle 35 kilovolta kadar çıkan bir orta gerilim şebekesinden başlıyor. Burada yüksek gerilimli alternatif akımın uygun seviyelere dönüştürülmesi, ardından doğru akıma çevrilmesi ve son olarak GPU birimleri ile diğer hızlandırıcıların ihtiyaç duyduğu bir voltun altındaki gerilimlere ulaşılması gerekiyor.
48 volttan 800VDC’ye
Geleneksel veri merkezleri çoğunlukla 48 volt veya 12 volt mimarileri kullanıyordu. Elektrik; kesintisiz güç kaynağı UPS, güç koşullandırma ve dağıtım ünitesi PDU, ardından 48 volta dönüşüm gibi birden fazla aşamadan geçiyor ve grafik işlemcinin içinde 1,2 veya 0,7 volt gibi gerilimlere ulaşıyordu. Keysight Technologies Güç Elektroniği Tasarım Yazılımları Ürün Müdürü Steven Lee, bu yaklaşımın veri merkezlerinin ihtiyaçları, yapay zekâ yüklerinin dayattığı seviyelerden çok daha düşükken uygun olduğunu söylüyor.
Önerilen 800VDC mimarisinde alternatif akım aşamalarının bir bölümü, silisyum karbür kullanan tek bir AC-DC arayüzünde birleştirilebilir. Çok sayıda aşama arasında art arda geçiş yapmak yerine güzergâh kısalır; böylece her aşamayla ilişkili anahtarlama kayıpları ve ısı azalır. Synopsys Uygulama Mühendisliği Direktörü Pavani Gottipati’ye göre bileşen tedarikçilerinin ve veri merkezi işletmecilerinin geleneksel 415VAC mimarisinden 800VDC’ye geçişi, katı hâl transformatörlerinin dâhil edilmesi de dahil olmak üzere bileşen tasarımının yeniden düşünülmesini gerektiriyor.
Gerilimin yükseltilmesi, tek başına gereken gücü artırmaz; ancak aynı gücü iletmek için gereken akımı azaltır. Bu nedenle Texas Instruments Bilgi İşlem Gücü Teknolojisi Uzmanı Pradeep Shenoy, dağıtım baralarının sıvıyla soğutulması durumunda bile yaklaşık 50 voltta kalmanın yeni güç seviyeleriyle pratik olmayacağını düşünüyor. Ayrıca kabinet güçleri hızla artmaya devam ederse 400 volt gibi ara seviyelerden geçişin cazip olmayabileceğini belirtiyor; çünkü tesisler 800 volta ulaşmak için yeniden tasarlanmak zorunda kalabilir.
Daha yüksek verimlilik, daha az alan ve bakır
800VDC mimarisi daha yüksek güç yoğunluğu, daha hafif transformatörler ve güç dağıtım bileşenleri için daha küçük alan sağlar. Aynı güçte daha yüksek gerilim daha düşük akım anlamına gelir; bu nedenle 48 voltta gereken kalın iletkenler yerine daha ince kablolar kullanılabilir. Bu durum, yüksek akımlarda güç aktarımının büyük miktarlarda bakır tüketmesine ve kabinetler üzerinde ısıl ve mekanik kısıtlamalar oluşturmasına yol açabildiği yapay zekâ veri merkezlerinde özellikle önemlidir.
Ayrıca her aşamanın verimliliğindeki sınırlı iyileşme, dönüşüm zinciri boyunca birikir. Shenoy, güç dönüşüm aşamalarından birinde 12 voltluk girişten 6 volta geçişin yaklaşık %2 verimlilik sağlayabileceğini ve aynı alan içinde yaklaşık %30 daha fazla güce olanak tanıyabileceğini söyledi. Toplam verimlilikte bir puanlık artışın bulut hizmeti sağlayıcıları ve veri merkezi işletmecileri için operasyonel ve mali açıdan önemli bir etkisi olabileceğini ekledi.
Faydalar veri merkezleriyle sınırlı değil. Siemens EDA Kıdemli Direktörü ve Küresel Batarya Teknolojisi Başkanı Puneet Sinha, bazı şirketlerin 800 voltluk batarya mimarilerine yöneldiğini ve bunun şarj açısından potansiyel faydalar sunduğunu, ancak bunun da invertörler ve sistemle ilişkili elektronikler için yeni gereklilikler doğurduğunu belirtti.
SiC, GaN ve katı hâl transformatörlerinin rolü
Katı hâl transformatörleri, bazı 800VDC tasarımlarında geleneksel demir çekirdekli transformatörlerin yerini kademeli olarak alıyor. Katı hâl transformatörü doğrudan yüksek gerilimli alternatif akım şebekesine bağlanabilir; ardından seçilen mimariye bağlı olarak düşük gerilimli alternatif akım çıkışı verebilir veya doğrudan 800VDC’ye dönüşüm yapabilir.
Silisyum karbür SiC ve galyum nitrür GaN gibi geniş bant aralıklı malzemeler daha yüksek anahtarlama hızları ve daha düşük ısıl kayıplar sunar; ayrıca daha küçük ve hafif manyetik bileşenlere olanak tanır. Geleneksel telli transformatörlerle karşılaştırıldığında düzlemsel transformatörler, yüksekliği azaltmaya ve kabinetler içindeki alanı daha yüksek yoğunlukla kullanmaya yardımcı olur.
Ancak silisyumdan SiC veya GaN’a geçiş doğrudan bir ikame değildir. Daha yüksek anahtarlama hızları elektromanyetik girişim ve gürültüyle ilgili zorlukları artırır; ayrıca kararlı kontrol döngüleri, farklı kapı sürme sinyalleri ve uygun manyetik tasarım gerektirir. Malzeme seçimi gerilim sınıfı ve uygulamayla bağlantılı olmaya devam eder. Daha yavaş anahtarlama yapan bazı transformatörler için IGBT transistörleri hâlâ uygun olabilirken Wawer, yüksek gerilimli ve hızlı anahtarlayan katı hâl transformatörünün özellikle SiC’ye uygun olduğunu düşünüyor. GaN da verimliliği, güç yoğunluğu ve geniş bir gerilim aralığında çalışabilmesi nedeniyle kullanılıyor.
Mimari ve işletimde pratik olarak ne değişiyor?
Güç gereksinimleri yüklerin kendilerine yakın noktalarda da değişiyor. Güç yönetimi entegre devreleri PMIC’ler, artık arka plandaki unsurlar değil, sistem performansının merkezi bileşenleri hâline geldi. Çünkü işlemciye ve belleğe daha yakın besleme hatları üretiyor; daha hassas gerilim ayarı, anlık ölçüm ve entegre sıralama sağlıyor; dönüşüm kayıplarını azaltıyor ve yükteki hızlı değişimleri destekliyor.
DRAM hızlarının artmasıyla bellek sistemi üzerindeki baskı da artıyor. Gerilimdeki herhangi bir düşüş bellek zamanlamasında hatalara ve dolayısıyla veri bozulmasına veya sunucudaki başka arızalara yol açabilir. Bu nedenle bellek güç çözümleri, DDR5 modüllerine entegre PMIC’lere taşındı; ancak yük akımı, gerilim düzenlemesinin hassasiyeti ve ani değişimlere tepkiyle ilgili zorluklar sürüyor.
Çipler düzeyinde ise yalnızca güç şebekesinin yeniden tasarlanması yeterli değil. Shenoy, işlemcinin hesaplama verimliliğinin artırılmasının temel bir yol olmaya devam ettiğini belirtiyor. Imagination Technologies gibi şirketler ise verimli GPU teknolojilerini uç ve otomotiv uygulamalarından veri merkezlerini hedefleyen daha büyük ölçeklere genişletme talebi görüyor. Synaptics’ten John Weil, görüntü ve dil modelleri de dahil olmak üzere yapay zekâ modellerinin gelişmesinin kısa zaman aralıklarında daha yüksek kapasite talebini artırdığını belirtiyor.
Buna karşılık 800VDC’ye geçiş, özellikle mevcut veri merkezleri yenilenirken güvenlik açısından büyük bir zorluk oluşturuyor. Cadence Kıdemli Ürün Mühendisi Hoa Tram, alternatif akım arızalarını kesmek üzere tasarlanan ayırma ekipmanlarının, devre kesicilerin, sigortaların ve izolasyon anahtarlarının doğru akım için sınıflandırılmış ekipmanlarla değiştirilmesi gerektiğini söylüyor. Ayrıca yeni ölçüm ve alarm sistemleri entegre edilmeli ve çalışanlar farklı ekipmanlarla çalışma konusunda eğitilmelidir.
Tasarım çeşitliliği karmaşıklığı artırıyor; bazı tesisler 800 voltluk tek kutuplu bir bara kullanabilirken, diğerleri ±400 voltluk çift kutuplu bir yapıyı tercih ediyor. Bu durum birlikte çalışabilirliği, koruma sistemlerini ve çalışanlar için gerekli eğitim ile sertifikaları etkiliyor. Aynı zamanda bazı veri merkezleri, daha verimli dönüştürücülerden yararlanarak 48 voltluk yapıyı koruyabilir. Örneğin, Binghamton University mühendisleri tarafından geliştirilen bir laboratuvar prototipi, yük noktasına yönelik tek aşamalı bir dönüştürücünün %10 ila %12 daha yüksek verimlilik ve önceki oranın yaklaşık iki katı hızla değişim oranı sunduğunu gösterdi.
Bu gelişmeler, 800VDC'nin tek bir bileşen değil, şebekeden çip içindeki geçide kadar uzanan güç zincirinin yeniden tasarlanması olduğunu ortaya koyuyor. Bu yaklaşımın yanı sıra, koruma, soğutma ve işletimdeki güncellemelerle birlikte daha verimli dönüştürücülere, malzemelere, yarı iletkenlere ve güç yönetimi devrelerine ihtiyaç duyuluyor. Bununla birlikte, altyapının ve elektrik şebekelerinin yavaş inşa edilmesi, uygulamanın hızını sınırlayabilir; bu durum, ihtiyacın kabin düzeyinde onlarca veya yüzlerce kilovattan megavatlara, ardından veri merkezi düzeyinde onlarca veya yüzlerce megavata yükselmesine rağmen geçerlidir.