AI la nivel de megawați cu tehnologia SiC JFET

AI la nivel de megawați cu tehnologia SiC JFET

Evoluția rapidă a inteligenței artificiale (AI) remodelează arhitectura și cerințele centrelor de date moderne. Odată cu proliferarea modelelor de inteligență artificială generativă (GenAI), precum ChatGPT, Llama, Gemini și DeepSeek, centrele de date sunt supuse unei presiuni crescute de a oferi putere de calcul, eficiență energetică și management termic fără precedent. Aceste cerințe conduc la o tranziție accelerată către arhitecturi de alimentare de înaltă tensiune și densitate, în care tehnologia pe carbură de siliciu (SiC) devine un factor esențial.

Centrele de date dedicate AI se extind rapid pentru a satisface noile cerințe de putere și eficiență, iar necesitatea unor sisteme de alimentare eficiente, fiabile și rentabile devine tot mai critică. JFET-urile SiC Cascode (CJFET) sunt proiectate pentru a îmbunătăți eficiența conversiei de energie în sursele de alimentare (PSU) ale serverelor, în timp ce JFET-urile SiC normal activate (normally-on) și JFET-urile SiC Combo oferă o protecție robustă pentru aplicațiile de înaltă tensiune de tip Hot-swap și e-Fuse/ORing.

Acest articol analizează cele mai recente tendințe ale pieței și cerințele sistemelor pentru centrele de date AI, precum și modul în care pot fi valorificate avantajele tehnice ale familiei de dispozitive SiC JFET, pentru a permite o infrastructură eficientă, fiabilă și scalabilă pentru procesarea AI la scară.

Tendințele pieței centrelor de date AI și obiectivul sistemului

Centrele de date dedicate AI sunt facilități specializate, proiectate pentru a susține cerințele de calcul intensive ale sarcinilor de lucru AI. Acestea găzduiesc mii de servere echipate cu GPU-uri, ASIC-uri optimizate pentru AI și componente de rețea de mare viteză. Agenția Internațională pentru Energie (IEA) estimează că centrele de date au consumat aproximativ 415 TWh de energie electrică în 2024, reprezentând circa 1,5% din consumul global. Se anticipează o creștere până la 945 TWh în 2030, ceea ce ar ridica ponderea la aproximativ 3% din consumul mondial.

Pe măsură ce modelele AI devin tot mai complexe și mai mari, cerințele de alimentare ale acestor sisteme cresc semnificativ. În prezent, nivelurile de putere la nivel de rack variază între 30 și 120 kW, însă companiile de top din industria HPC și AI dezvoltă activ tehnologii pentru a ridica acest prag până la 1 MW – de aproximativ zece ori capacitatea actuală. Această evoluție impune inovații majore în conversia și distribuția energiei. Distribuția tradițională la nivel de rack, de 48–54 V, nu mai poate răspunde cerințelor infrastructurilor AI la scară de megawați.

Limitările distribuției la 48 V și tranziția către arhitecturi HVDC

Majoritatea rack-urilor pentru aplicații AI utilizează în continuare o distribuție de 48 VCC, furnizată prin bare colectoare din cupru cu secțiune mare (heavy copper busbars), care transportă energia de la rafturile de alimentare către platformele de calcul. Cu toate acestea, odată ce puterea unui rack depășește 200 kW, distribuția la 48 VCC se confruntă cu limitări critice:

• consumă spațiu excesiv – până la 64U per rack pentru rafturile de alimentare, în sisteme precum NVIDIA GB200/GB300 NVL72 – reducând semnificativ spațiul disponibil pentru hardware-ul de calcul;
• necesită cantități nesustenabile de cupru: un rack de 1 MW poate necesita peste 200 kg de cupru, ceea ce se traduce în aproximativ 500.000 de tone pentru un centru de date de 1 GW;
• conversiile repetate AC-DC și DC-DC introduc pierderi semnificative și cresc complexitatea lanțului de alimentare.

Figura 1: Arhitectura sistemului de magistrală (Bus) (±)400 VCC / 800 VCC (până la 1 MW). (Sursa imaginii: onsemi)

O alternativă mai eficientă este conversia directă a curentului alternativ de 13,8 kV în curent continuu de înaltă tensiune (HVDC) de 800 V la nivelul marginii centrului de date, prin introducerea unui transformator cu semiconductori (SST – Solid-State Transformer). Această abordare reduce numărul de etape de conversie, minimizează pierderile de energie și simplifică arhitectura lanțului de alimentare. În plus, un număr mai mic de surse de alimentare și ventilatoare îmbunătățește fiabilitatea, reduce sarcina termică și crește eficiența energetică, transformând HVDC într-o soluție scalabilă și performantă pentru centrele de date de nouă generație.

În concluzie, cele mai importante tendințe din piață privind modernizarea și optimizarea centrelor de date sunt următoarele:

• Magistrală DC de înaltă tensiune (400 VDC și 800 VDC) pentru a susține rack-uri de servere cu densitate ridicată
• Densitate de putere crescută pentru reducerea amprentei și a costurilor de răcire
• Comutare rapidă și pierderi de conducție scăzute pentru eficiență energetică superioară
• Mecanisme robuste de protecție pentru siguranța componentelor sensibile în condiții critice de alimentare

Cerințe pentru sursele de alimentare ale serverelor în centrele de date AI

Centrele de date dedicate AI utilizează rack-uri de servere avansate, proiectate pentru a susține calculul de înaltă densitate, soluții de răcire optimizate și o gestionare eficientă a energiei. Aceste arhitecturi folosesc frecvent configurații de densitate ridicată – de exemplu, sursele de alimentare trebuie să îndeplinească sau să depășească certificările 80 Plus Titanium sau chiar 80 Plus Ruby – iar fiecare rack poate gestiona 100 kW sau mai mult. Numărul total de rack-uri poate varia de la câteva zeci în configurațiile compacte până la câteva sute în centrele de date mari. Open Rack V3 (ORV3) reprezintă cea mai recentă versiune a standardului Open Rack dezvoltat de Open Compute Project (OCP). Sursele de alimentare pentru serverele din centrele de date AI trebuie să respecte cerințe riguroase:

• Eficiență ridicată pe intervale largi de sarcină
• Densitate de putere ridicată pentru reducerea costurilor la nivel de sistem
• Factori de formă compacți necesari în medii cu spațiu limitat
• Compatibilitate cu drivere de poartă standard pentru a simplifica proiectarea

În multe cazuri, soluțiile tradiționale bazate pe MOSFET-uri Si Super Junction (SJ) nu reușesc să îndeplinească aceste cerințe, din cauza limitărilor privind viteza de comutare, rezistența în conducție și performanța termică.

Soluția pentru optimizarea eficienței energetice în sursele de alimentare pentru servere: JFET-uri SiC Cascode

Figura 2: Cel mai mic RDS(on) × suprafață în comparație cu principalii concurenți. (Sursa imaginii: onsemi)

JFET-urile SiC Cascode (CJFET), precum cele dezvoltate de onsemi, integrează un JFET SiC normal activat (normally-on) cu un MOSFET pe siliciu de joasă tensiune, formând împreună un dispozitiv normal dezactivat (normally-off). Această arhitectură Cascode oferă numeroase avantaje:

• Cel mai scăzut R_DS(on) raportat la suprafață: Permite gestionarea unor curenți mai mari și reduce pierderile de conducție
• Viteze de comutare ridicate: Îmbunătățesc eficiența atât în topologii de comutație hard, cât și soft
• Compatibilitate cu driverele de poartă standard: Funcționează cu drivere pe siliciu convenționale, simplificând proiectarea și integrarea
• Dimensiune redusă a matriței (die): Contribuie la scăderea costurilor și optimizează pierderile de comutare și de conducție

Figura 3: Comparații între tensiunile de comandă ale porții în tehnologiile dispozitivelor de putere. (Sursa imaginii: onsemi)

Performanța CJFET-urilor SiC în subsistemele de alimentare ale rack-urilor AI

În rack-ul unui server AI, JFET-urile SiC Cascode (CJFET) permit conversii AC-DC și DC-DC de înaltă eficiență în subsistemele cheie de alimentare, inclusiv sursa de alimentare (PSU), unitatea de rezervă a bateriei (BBU), etajul de reducere a sarcinii de vârf – PLSS (Peak Load Shaving Shelf), convertoarele de magistrală intermediară – IBC (Intermediate Bus Converters). Eficiența ridicată și amprenta compactă ale acestor dispozitive susțin profilurile exigente de alimentare ale sarcinilor de lucru AI.

În comparație cu MOSFET-urile SiC și MOSFET-urile Si Super Junction (SJ):

• CJFET-urile SiC oferă cel mai mic R_DS(on) raportat la suprafață, cu o îmbunătățire de aproximativ 10× față de dispozitivele Si SJ și până la 50% față de MOSFET-urile SiC.
• Pierderea la comutare este redusă semnificativ, permițând funcționarea la frecvențe mai mari și utilizarea unor componente pasive mai mici.
• Managementul termic este simplificat, reducând nevoia unor radiatoare voluminoase.

Analiză comparativă a tehnologiilor cu componente discrete

Aceste avantaje ale dispozitivelor SiC CJFET se traduc în costuri totale ale sistemului mai reduse, precum și în eficiență și fiabilitate superioare pentru centrele de date hyperscale.

Funcția Hot-swap în centrele de date AI

În centrele de date dedicate AI, circuitele Hot-swap joacă un rol esențial în introducerea și îndepărtarea în siguranță a modulelor de alimentare, fără întreruperea funcționării sistemului. Aceste circuite sunt proiectate pentru a preveni curenții de pornire ridicați la cuplarea modulelor, pentru a oferi un răspuns rapid la defecțiuni în vederea protejării componentelor electronice sensibile și pentru a susține modele compacte, optimizate termic, potrivite pentru medii de servere cu densitate mare. Această combinație de robustețe și eficiență este esențială pentru menținerea fiabilității și a timpului de funcționare în infrastructurile de calcul de înaltă performanță.

JFET-uri SiC și JFET-uri Combo: soluții robuste de Hot-swap HV

JFET-urile SiC și JFET-urile Combo, cu tensiuni nominale între 650 V și 1700 V, dezvoltate de onsemi, integrează caracteristici avansate care le fac ideale pentru aplicații Hot-swap de înaltă tensiune și pentru sisteme e-fuse. Rezistența lor ultra-scăzută asigură o alimentare eficientă, cu pierderi termice minime în conducție. Stabilitatea termică superioară în modul de operare liniar permite o funcție sigură de limitare a curentului. Viteza de oprire controlabilă oferă protecție robustă împotriva curenților de pornire și a condițiilor de scurtcircuit.

Împreună, aceste caracteristici contribuie la îmbunătățirea fiabilității sistemelor și a siguranței operaționale în centrele de date de ultimă generație.

Caracteristici cheie ale JFET-urilor SiC

• Dispozitive normal activate cu R_DS(on) ultra-scăzut
• Regim Overdrive: cu V_GS = 2V R_DS(on) este cu 10-15% mai mic decât valoarea R_DS(on) la V_GS = 0V
• Zonă SOA extinsă și stabilitate termică ridicată în modul liniar pentru aplicații de limitare a curentului
• V_GS în conducție este o măsură directă a temperaturii joncțiunii (Tj), ideală pentru circuite cu auto-monitorizare
• Răspuns rapid și conductivitate termică ridicată

Caracteristici cheie suplimentare ale SiC Combo JFET

• Integrează un SiC JFET și un MOSFET pe siliciu într-o singură capsulă
• Oferă un comutator normal-dezactivat (normally-off), compatibil cu driverele de poartă pentru MOSFET-uri Si/SiC
• Permite controlul vitezei de comutare prin ajustarea rezistenței porții JFET
• Permite conectarea în paralel a mai multor JFET-uri

Stabilitate termică superioară în modul liniar pentru aplicațiile Hot-swap

În circuitele Hot-swap, dispozitivele de putere funcționează frecvent în mod liniar pentru a controla curentul de pornire și pentru a asigura o conectare sigură în condiții de sarcini capacitive ridicate. Adoptarea arhitecturilor cu bare colectoare HVDC de 400 V și 800 V în centrele de date destinate AI a crescut semnificativ importanța soluțiilor Hot-swap bazate pe tehnologia SiC. În aceste medii de înaltă tensiune, JFET-urile SiC Combo și JFET-urile SiC îmbunătățesc siguranța sistemului și eficiența operațională, oferind funcții esențiale precum:

• Limitarea curenților de pornire în timpul inserării modulului
• Protecție împotriva scurtcircuitelor și a evenimentelor de supracurent
• Proiectare compactă și eficientă cu un număr redus de componente

JFET-urile SiC prezintă o zonă de stabilitate termică mult mai largă

Spre deosebire de MOSFET-urile convenționale pe siliciu sau SiC, JFET-urile SiC prezintă o zonă de stabilitate termică mult mai largă peste punctul ZTC (Zero Temperature Coefficient), având coeficient negativ al curentului. Aceasta le permite să conducă mai mult curent la temperaturi ridicate ale joncțiunii fără a intra în fugă termică. Acest comportament asigură performanțe previzibile și îmbunătățește fiabilitatea sistemului în condiții termice solicitante.

Figura 4: SiC JFET prezintă o zonă de instabilitate termică foarte redusă în modul liniar. (Sursa imaginii: onsemi)

În plus, tensiunea poartă-sursă (V_GS) a unui JFET în conducție servește drept indicator direct al temperaturii joncțiunii, permițând implementarea de funcții de monitorizare și protecție termică în timp real, cu rol de senzor de temperatură.

JFET-urile SiC Combo integrează în continuare un JFET SiC normal activat (normally-on) cu un MOSFET pe siliciu de joasă tensiune, rezultând un dispozitiv normal dezactivat (normally-off) într-o capsulă compactă – o combinație care oferă robustețe termică, comanda porții simplificată și flexibilitate superioară în control.

Având în vedere aceste avantaje, SiC Combo JFET și SiC JFET sunt deosebit de potrivite pentru aplicațiile de tip Linear Mode, precum Hot-swap, e-Fuse și ORing, unde limitarea curentului de pornire, protecția la supracurent și gestionarea termică sunt esențiale pentru fiabilitatea sistemului.

Concluzie

Pe măsură ce centrele de date dedicate AI continuă să evolueze, cererea pentru soluții de alimentare cu performanță ridicată și eficiență energetică crește accelerat. Portofoliul onsemi EliteSiC care include dispozitive SiC CJFET, SiC JFET și SiC Combo JFET cu tensiuni nominale cuprinse între 650 V și 1700 V, oferă soluții complete pentru sursele de alimentare ale serverelor și pentru aplicațiile Hot-swap / ORing din infrastructurile AI moderne. Aceste dispozitive combină eficiența superioară, performanța termică ridicată și flexibilitatea de proiectare, permițând centrelor de date să gestioneze fără compromis sarcinile de lucru AI de ultimă generație.

Prin valorificarea proprietăților unice ale tehnologiei SiC și printr-un lanț de aprovizionare complet integrat, onsemi oferă proiectanților posibilitatea de a construi arhitecturi de alimentare scalabile, fiabile și rentabile, capabile să susțină evoluția accelerată a AI.

Pentru informații tehnice detaliate despre onsemi și setul complet de soluții recomandate pentru centrele de date AI, vizitați onsemi.com și descărcați Ghidul de soluții pentru sisteme de centre de date AI.

Autor: Sally Feng
onsemi

Glosar de termini pentru varianta online:

SiC (Silicon Carbide – carbură de siliciu): Material semiconductor wide-bandgap folosit pentru dispozitive de putere cu eficiență ridicată, comutare rapidă și performanță termică superioară.
JFET (Junction Field-Effect Transistor): Tranzistor cu poartă încrucișată, controlat prin tensiune, caracterizat prin pierderi mici și robustețe termică.
SiC JFET: JFET realizat pe carbură de siliciu, cu R_DS(on) redus, stabilitate termică ridicată și aplicabilitate în sisteme HVDC, e-Fuse și Hot-swap.
Cascode (CJFET): Configurație ce combină un JFET SiC normally-on cu un MOSFET Si de joasă tensiune, rezultând un dispozitiv normally-off compatibil cu drivere standard.

Normally-on / Normally-off:

– Normally-on = dispozitiv care conduce curentul fără tensiune aplicată pe poartă.
– Normally-off = dispozitiv care rămâne blocat fără tensiune aplicată; preferat pentru siguranța sistemelor de alimentare.

Linear Mode: Regim de funcționare în care tranzistorul operează în zona liniară (nu în saturație / comutație), util pentru limitarea curentului în aplicații Hot-swap sau e-Fuse.
Hot-swap: Introducerea / scoaterea unui modul în stare alimentată, fără oprirea sistemului. Necesită control termic și limitarea curentului de pornire.
e-Fuse: Protecție electronică cu reacție rapidă pentru supracurent, scurtcircuit și fault-uri tranzitorii – alternativă modernă la siguranțele fuzibile.
ORing: Topologie de protecție și redundanță care comută sursa activă fără întrerupere (folosită în servere și surse redundante).
Overdrive (regim Overdrive): Aplicarea pe poartă a unei tensiuni mai mari decât pragul, reducând R_DS(on) și crescând eficiența.
RDS(on): Rezistența drenă-sursă în conducție. Parametru critic în performanța de putere și pierderile de conducție.

SOA (Safe Operating Area): Domeniul sigur de funcționare al dispozitivului; definește combinațiile admise de tensiune, curent și temperatură.
ZTC (Zero Temperature Coefficient): Punct la care curentul prin dispozitiv nu mai depinde de temperatură; peste acest punct, JFET-urile SiC au comportament stabil și evită fuga termică.
HVDC (High Voltage DC): Magistrală DC de înaltă tensiune (400–800 V) folosită în rack-urile AI moderne pentru reducerea pierderilor și creșterea densității de putere.
Linear Mode Thermal Stability: Caracteristică definitorie a JFET-urilor SiC, care permite limitarea predictibilă a curentului în regim liniar, chiar la temperaturi ridicate ale joncțiunii.