Как напряжение 800 В постоянного тока меняет распределение электроэнергии в центрах обработки данных для ИИ.

Искусственный интеллект меняет электрическую архитектуру центров обработки данных.

По мере того как производительность ускорителей и мощность стоек продолжают расти, передача большей мощности традиционными методами распределения становится все более сложной задачей. Более высокая мощность при том же напряжении означает более высокий ток, что напрямую влияет на проводники, шины, разъемы, преобразовательное оборудование, компоненты системы терморегулирования и защиты.

Это одна из причин, почему архитектурам постоянного тока с более высоким напряжением уделяется больше внимания.

Среди подходов, разрабатываемых для инфраструктуры ИИ следующего поколения, распределение питания 800 В постоянного тока становится важным архитектурным направлением. Компания NVIDIA публично представила архитектуру 800 В постоянного тока для будущих фабрик ИИ, описав переход от традиционной подачи питания на основе переменного тока к распределению постоянного тока более высокого напряжения ближе к вычислительной нагрузке.

Переход — это не просто изменение номинального напряжения. Он меняет способы преобразования, распределения, коммутации и защиты электроэнергии во всем центре обработки данных.

Почему архитектура источников питания для ИИ движется в сторону постоянного тока более высокого напряжения?

Фундаментальная взаимосвязь между мощностью, напряжением и током проста:

P = V × I

При одинаковом уровне мощности повышение напряжения в распределительной сети снижает требуемый ток.

Например, для выработки 800 кВт при напряжении 400 В требуется приблизительно 2000 А, тогда как для той же мощности при напряжении 800 В требуется приблизительно 1000 А, без учета системных потерь и фактических условий эксплуатации.

Снижение силы тока может иметь важные последствия для высоковольтной инфраструктуры.

Это позволяет уменьшить требуемое поперечное сечение проводника и помогает контролировать резистивные потери. Также это позволяет уменьшить физические размеры и тепловую нагрузку, связанные с распределительными путями с высокими токами.

Это становится все более актуальным по мере того, как мощность стоек для ИИ приближается к уровням, значительно превышающим те, которые характерны для традиционных корпоративных центров обработки данных.

Таким образом, цель состоит не просто в увеличении напряжения. Более масштабная инженерная задача — обеспечить высокую мощность при практичном сочетании электрической эффективности, физической масштабируемости, тепловых характеристик и надежности системы.

От традиционного распределения переменного тока к постоянному напряжению более высокого напряжения

Традиционные системы электропитания центров обработки данных обычно используют многоступенчатую схему преобразования электроэнергии между сетью и ИТ-оборудованием.

Упрощенный путь может включать в себя:

Сетевой переменный ток → Распределение переменного тока → Преобразование энергии → Преобразование энергии на уровне стойки → Нагрузки серверов

На каждом этапе преобразования возникают электрические потери и требуется дополнительное оборудование.

Для высокоплотной инфраструктуры искусственного интеллекта количество и местоположение этих этапов преобразования приобретают все большее значение.

Архитектура, использующая напряжение 800 В постоянного тока, позволяет приблизить распределение постоянного тока более высокого напряжения к вычислительному оборудованию:

Электропитание от сети/объекта → Преобразование переменного тока в 800 В постоянного тока → Распределение 800 В постоянного тока → Преобразование на уровне стойки → Вычислительные нагрузки для ИИ

Точная архитектура будет различаться в зависимости от объекта и платформы оборудования. Существующие центры обработки данных также могут использовать гибридные подходы вместо полной замены всей своей электрической инфраструктуры.

Это означает, что переход на напряжение 800 В постоянного тока следует рассматривать как архитектурную эволюцию, а не как разовое обновление оборудования.

Как напряжение 800 В постоянного тока изменяет цепь передачи энергии

Постоянное напряжение более высокого порядка изменяет несколько участков электрического пути.

1. Меньший ток при той же мощности.

Наиболее прямым следствием является снижение тока.

При фиксированной потребляемой мощности удвоение напряжения примерно вдвое уменьшает ток. Это может помочь снизить электрическую нагрузку на проводники, разъемы и распределительные конструкции.

Для крупных объектов искусственного интеллекта, где по одному источнику энергии могут передаваться сотни киловатт и более, разница становится существенной.

2. Различные требования к распределению

Передача постоянного тока более высокого напряжения через центр обработки данных предъявляет новые требования к распределительному оборудованию.

Проводники, шины, разъемы, коммутационные устройства и защитные компоненты должны соответствовать фактическим условиям постоянного напряжения и тока.

Важное значение также приобретают расстояние между электрическими проводами, система изоляции, тепловая расчетная мощность и условия монтажа.

Следовательно, распределение более высокого напряжения не означает просто использование тех же компонентов при более высоком номинальном напряжении.

3. Меньшее количество этапов конверсии

Одной из ключевых причин создания высоковольтных архитектур постоянного тока является потенциальная возможность упрощения процесса преобразования энергии.

Сокращение количества ненужных этапов преобразования может уменьшить суммарные потери при преобразовании и способствовать повышению удельной мощности.

Однако это не исключает возможности преобразования постоянного тока в постоянный.

Серверы и ускорители для ИИ по-прежнему требуют строго контролируемого напряжения, поэтому архитектура электропитания должна обеспечивать переход от высоковольтного распределения к более низким напряжениям, необходимым для вычислительного оборудования.

Таким образом, расположение и эффективность этих этапов преобразования становятся важными составляющими общей архитектуры.

Новые требования к высоковольтным компонентам постоянного тока

Система с напряжением 800 В постоянного тока создает иные условия работы для электрических компонентов по сравнению с системами распределения более низкого напряжения.

Требования к компонентам необходимо оценивать, исходя из реальной схемы, а не только из номинального напряжения.

К числу важных моментов можно отнести:

• Непрерывное рабочее напряжение
• Постоянный и пиковый ток
• условия переключения постоянного тока
• Ток короткого замыкания
• Способность к пробиванию
• Требования к электрической изоляции
• Тепловые условия
• Частота переключения
• Электрическая стойкость
• Требования к монтажу и зазорам/проходимости

Эти факторы особенно важны для компонентов, участвующих в коммутации и защите.

Например, контактор постоянного тока может потребоваться для подключения или отключения высоковольтной цепи постоянного тока во время нормальной работы, технического обслуживания или устранения неисправностей.

Для защиты от перегрузки по току в соответствующей точке цепи питания может использоваться предохранитель постоянного тока.

Таким образом, окончательный выбор компонентов должен основываться на электрических характеристиках и условиях эксплуатации конкретной системы.

Переключение и изоляция приобретают все большее значение.

Распределение постоянного тока более высокого напряжения также изменяет требования к изоляции цепей.

В отличие от систем переменного тока, постоянный ток не проходит через точку нулевого тока в каждом цикле. Поэтому для прерывания постоянного тока требуются компоненты, специально разработанные для соответствующих условий напряжения, тока и переключения.

Для высокопроизводительной инфраструктуры искусственного интеллекта коммутационные устройства могут потребоваться в разных точках электрической архитектуры.

В зависимости от конструкции системы, к ним могут относиться:

• Главная распределительная сеть постоянного тока
• Интерфейсы преобразования энергии
• Цепи питания на уровне стойки
• Интерфейсы для хранения энергии
• точки изоляции для технического обслуживания
• Схемы аварийного отключения

Назначение этих коммутационных точек заключается не только в регулировании нормального потока электроэнергии. Они также могут использоваться для изоляции системы и проведения процедур технического обслуживания.

По мере того как архитектура электропитания становится все более распределенной, четко определенные точки изоляции могут помочь инженерам управлять отдельными секциями, не оказывая излишнего влияния на остальную часть системы.

Защита должна соответствовать новой архитектуре.

Передача электроэнергии под более высоким напряжением также меняет требования к защите.

Защитное устройство должно прерывать аномальный ток в реальных условиях цепи. Номинальное напряжение и ток являются лишь отправными точками.

При проектировании цепи питания 800 В постоянного тока инженерам, возможно, потребуется учесть следующие моменты:

• Доступный ток короткого замыкания
• требования к разрыву постоянного тока
• Время устранения неисправности
• Координация между защитными устройствами
• Нормальный рабочий ток
• Пиковые и переходные условия
• Тепловая среда
• Место установки

Защита также должна быть согласована с архитектурой.

К предохранителю, установленному рядом с преобразователем мощности, могут предъявляться иные требования, чем к защитному устройству, установленному в ответвленной цепи на уровне стойки.

Аналогичным образом, контактор постоянного тока, используемый для управляемого переключения, может иметь различные требования к электрической износостойкости в зависимости от нагрузки и режима переключения.

Такой системный подход приобретает все большее значение по мере того, как энергетические системы на основе искусственного интеллекта стремятся к более высокой удельной мощности.

Роль индукторов в преобразовании постоянного тока высокой мощности

Повышение напряжения в распределительной сети не устраняет необходимости в преобразовании энергии.

После того, как напряжение 800 В постоянного тока достигнет соответствующей точки распределения, может потребоваться преобразование постоянного тока в постоянный для обеспечения уровней напряжения, необходимых для нижестоящих энергосистем.

Индукторы являются важными пассивными компонентами во многих схемах преобразования энергии с импульсным управлением.

Их электрические характеристики влияют на пульсации тока, накопление энергии, фильтрацию и работу преобразователя.

При более высоких уровнях мощности конструкция индуктора также тесно связана с тепловыми характеристиками, магнитными потерями, характеристиками насыщения и физическими размерами.

По этой причине переход к постоянному напряжению более высокого порядка не только создает спрос на высоковольтные коммутационные и защитные компоненты, но и предъявляет новые требования к пассивным компонентам, используемым на всех этапах преобразования.

Что означает напряжение 800 В постоянного тока для проектирования электропитания в центрах обработки данных для ИИ?

Переход к напряжению 800 В постоянного тока является, по сути, ответом на растущую удельную мощность вычислений в системах искусственного интеллекта.

Вместо простого масштабирования существующих низковольтных распределительных систем для работы с большими токами, высоковольтные архитектуры постоянного тока предлагают еще один способ решения электрических и физических ограничений, связанных с инфраструктурой искусственного интеллекта следующего поколения.

Основные изменения в дизайне можно кратко описать следующим образом: