© ADI
Amplasat în vârful unui catarg înalt de 25 de metri, la marginea deșertului Mojave, un emițător-receptor radio 5G este expus la o căldură toridă. Cu cât componentele radio sunt mai mici și mai ușoare și cu cât sistemele electronice ale transmițătorului sunt mai eficiente, se generează mai puțină căldură și este mai ușor să se mențină sistemul rece și funcțional. Într-un centru de date care se întinde pe o suprafață de peste 1 000 de acri, (peste 400 Hectare) grupurile de servere execută milioane de căutări și sarcini de lucru foarte solicitante, pentru a răspunde nevoilor unei lumi din ce în ce mai avide de informații. Tehnologia necesită curenți de mare intensitate cu tranziții rapide, cu densități foarte mari ale componentelor de putere, care să maximizeze eficiența pentru a livra rapid conținut.
În lumea comunicațiilor în plină dezvoltare, cele mai dificile aplicații pentru electronica de putere actuală se confruntă cu obstacolele tehnice legate de dimensiune, greutate și putere (SWaP – Size, Weight, and Power). Aproape toate aplicațiile par să devină din ce în ce mai mici și mai ușoare, solicitând în același timp mai multă putere. Necesitatea de a optimiza SWaP stimulează industria electronicii de putere în numeroase și noi direcții. Tehnologia de management a energiei joacă un rol semnificativ în inovația din industria centrelor de date și a comunicațiilor de astăzi.
© ADI
Având ca obiectiv sustenabilitatea și reducerea costurilor, leadership-ul tehnologic vizează o eficiență mai mare a sistemului. Odată cu tehnologiile de procesare mai avansate utilizate în sistemele de comunicații, apar tensiuni operaționale mai mici și curenți semnificativ mai mari, ceea ce reprezintă o provocare pentru eficiența sistemului. Pentru aceste sisteme de generație viitoare trebuie să se ia în considerare metodologii care depășesc dezvoltarea de siliciu pur. Acesta este un domeniu în care ADI este pregătit să avanseze.
Îmbunătățirea SWaP și a eficienței wireless
În ceea ce privește tehnologia wireless, accentul se pune pe maximizarea densității de putere și pe obținerea unei soluții cât mai mici posibil pentru a reduce dimensiunea totală a aplicațiilor 5G sau pentru a oferi flexibilitate în vederea încorporării unor capacități sau funcționalități suplimentare. Operarea într-un spațiu mai mic presupune o funcționare mai rentabilă și mai eficientă.
Opțiunile posibile și progresele în tehnologia comunicațiilor fără fir sunt infinite. Expertiza profundă a ADI în domeniu se întinde pe toate industriile și tehnologiile, oferind perspective și soluții pentru a satisface cerințele crescânde ale acestor sisteme. Noutățile includ modalități alternative de asamblare a sistemului pentru a avea un efect asupra dimensiunii, greutății și puterii, care produc o amprentă mai mică, un număr mai mic de componente și un impact mai mic asupra suprafeței plăcii. Reducerea dimensiunii plăcii oferă avantajul suplimentar de a elibera spațiu pentru a include noi tehnologii sau funcționalități suplimentare, cum ar fi inteligența artificială (AI) și recunoașterea vocală.
“Sistemele cu zgomot mai redus necesită mai puține protecții; mai puține protecții înseamnă o greutate mai mică și dimensiuni mai mici.”
Eliminarea zgomotului
Multe aplicații 5G sunt critice și sunt mereu active. Personalul medical și echipele de intervenție în caz de urgență se bazează pe tehnologie pentru a asigura comunicații critice și gestionarea alertelor în caz de incidente. – © ADI
Produsele din domeniul tehnologiei electronice necesită o varietate de tensiuni și curenți pentru a funcționa. Conversia eficientă a energiei este esențială pentru un sistem care funcționează bine. Acest lucru înseamnă că este necesară o conversie de putere cu comutare la frecvență înaltă. Un dezavantaj al acesteia este generarea de interferențe electromagnetice (EMI) în domeniul RF. Aceste interferențe EMI pot perturba funcționarea unor dispozitive foarte sensibile, cum ar fi un transmițător RF încorporat într-o rețea 5G. Seria de convertoare de putere Silent Switcher® de la ADI operează la frecvențe înalte, maximizând în același timp eficiența – generând cele mai mici interferențe electromagnetice (EMI) din industrie. Acest lucru are ca rezultat un link de comunicație mai robust în echipamentele rețelelor de telefonie mobilă.
Instalația radio 5G este responsabilă pentru furnizarea de servicii de telefonie mobilă și internet în întreaga lume, permițând angajaților, prietenilor și familiei să rămână în contact. Promisiunea unui viitor conectat la nivel global va avea, fără îndoială, un impact masiv asupra modului în care populația lumii va trăi, va învăța, va munci și se va distra. A cincea generație de tehnologie wireless va necesita progrese semnificative în domeniul electronicii de putere pentru a atinge acest obiectiv. Și, fiabilitatea va fi esențială, deoarece este posibil ca o viață să depindă de aceasta.
Centrele de date: Coloana vertebrală a serviciilor de calcul în cloud (cloud computing)
“205 Terawați-oră (Cantitatea de energie electrică consumată de centrele de date din lume în 2018)” McCormick School of Engineering and Applied Science (Școala McCormick de Inginerie și Științe Aplicate) Northwestern University.
Nevoia de date și de stocare la cerere din partea întreprinderilor și a consumatorilor crește exponențial. Pentru a satisface aceste cereri, centrele de date vor avea nevoie de o creștere semnificativă a energiei electrice. Acest lucru înseamnă că o conversie eficientă a puterii este un factor critic în gestionarea cererii de energie în sistemul nostru de rețele electrice deja tensionat. Sunt necesare îmbunătățiri în tehnologia de gestionare a energiei, deoarece unele centre de date consumă la fel de multă energie electrică precum un mic oraș de 80.000 de locuitori.
“ADI generează valoare adăugată prin furnizarea de soluții de mare densitate și cu răspuns rapid pentru a alimenta ASIC-urile avansate, unitățile CPU și GPU, necesare pentru a procesa toate aceste date” a declarat Gary Sapia. Circuitele integrate pentru aplicații dedicate, proiectate special pentru o anumită utilizare, sunt cele mai mari consumatoare de energie. Pentru aceeași cantitate de energie, soluțiile ADI ajută prin reducerea pierderilor de conversie a puterii și scăderea disipării de căldură.
Ce presupune o căutare pe Google?
Atunci când căutați o imagine – să spunem “toți câinii cu nasul turtit”, motorul caută, analizează informațiile și le găsește foarte rapid dintr-o selecție de aproximativ două miliarde de opțiuni. Acest efort necesită un motor de procesare special, care caută într-o bază de date enormă cu ajutorul inteligenței artificiale (AI).
Toate aceste operațiuni necesită o rețea de mașini care trebuie să se dezvolte foarte rapid pentru a îndeplini sarcina, ceea ce duce la o creștere bruscă puterii.
Un vârf de putere înseamnă un vârf de curent. Este similar cu apăsarea pedalei de accelerație a mașinii dumneavoastră – injectorul de combustibil se deschide și pulverizează benzină în motor, ceea ce vă face să ajungeți mai repede la destinație. Atunci când faceți clic pe căutare, în esență, apăsați pe accelerație, alimentând multe servere cu energie. Aceste mașini au nevoie de mult curent pentru a executa cererea dumneavoastră – și au nevoie de el acum!
“3 Microsecunde (Timpul necesar pentru ca soluțiile tehnologice de gestionare a energiei de la Analog Devices să furnizeze sute de amperi și să permită deschiderea gateway-urilor. Aceste soluții oferă un răspuns foarte rapid.)”
Pentru a gestiona cererea de curent într-o perioadă foarte scurtă de timp este nevoie de sisteme speciale, care funcționează cu o eficiență ridicată și o lățime de bandă foarte mare. Integrarea monolitică a ADI și tehnologia proprietară a inductoarelor cuplate permite satisfacerea acestor cerințe stricte, oferind în același timp o eficiență superioară și reducând consumul de energie.
Dimensiune, Greutate și Putere
Oricare ar fi punctul dumneavoastră de vedere, oriunde v-ați uita, nevoia de a reduce dimensiunea, greutatea și energia rămâne o constantă pentru centrele de date și pentru întreaga industrie a comunicațiilor.
Sistemul ADI de circuite și produse de conectivitate include circuite integrate (IC), care gestionează controlul informațiilor de sistem, colectarea și conversia datelor, senzori de date de înaltă precizie, soluții radio RF și conversie de putere de înaltă eficiență. Toate acestea sunt împachetate sub formă de proiecte de referință discrete și în soluții de sisteme de module foarte integrate pentru aplicații specifice, cunoscute sub numele de µModule®.
Centrele de date, companiile de social media, producătorii de dispozitive conectate, furnizorii de servicii cloud și giganții motoarelor de căutare se străduiesc să atingă obiective de sustenabilitate provocatoare. Cele mai importante cinci companii de tehnologie din SUA, cunoscute sub numele de FAANG, administrează centre de date de dimensiuni uriașe – fabrici de informații super-eficiente, fiecare cu până la 2,5 milioane de servere. Timp de aproape un deceniu, acestea au eficientizat procesele de calcul, au trecut la surse de energie regenerabilă și au studiat modalități mai bune de răcire a instalațiilor lor. Acești giganți ai datelor și-au autoimpus o responsabilitate specială pentru a minimiza utilizarea resurselor planetei.
Reducerea costului cu energia electrică
Odată cu apariția tehnologiei 5G și cu cerința de a avea sisteme cu viteză mare de transfer de date, puterea de procesare a centrelor de date crește vertiginos. Energia poate reprezenta mai mult de jumătate din costurile unui centru de date tipic, iar 30% până la 40% din această cifră este atribuită sistemelor de răcire a clădirii. Reducerea consumului de energie electrică este un demers logic din punct de vedere financiar și comercial, în condițiile în care factura pentru energia electrică și răcirea sistemelor continuă să reprezinte o parte semnificativă a cheltuielilor operaționale.
Sistemele de alimentare ineficiente produc căldură. Prin urmare, un sistem de alimentare mai eficient va necesita mai puțină energie pentru a funcționa, mai puțin spațiu pentru sistemele de răcire și mai puțini bani dedicați ventilatoarelor, radiatoarelor și altor forme de gestionare termică. Reducerea consumului de energie al unui centru de date ajută companiile din domeniul comunicațiilor să funcționeze mai eficient și mai durabil. Tehnologia ADI poate contribui la eficientizarea serverelor FAANG și la reducerea consumului de energie.
Cei patru vectori ai gestionării inteligente a energiei
Inovațiile în domeniul energiei electrice vizează patru vectori – © ADI
Companiile din domeniul comunicațiilor care alimentează dispozitive cu valori de curent extrem de ridicate nu se mai pot baza pe atingerea obiectivelor de economisire a energiei cu ajutorul componentelor standard. Acestea profită de materiale revoluționare și de module compacte pentru a le deschide noi direcții către stații radio 5G mai mici și mai ușoare. ADI oferă soluții personalizate pentru a se potrivi cerințelor clienților, luând în considerare în același timp patru vectori de gestionare inteligentă a energiei pentru a atinge obiective ambițioase de economisire a energiei.
Dimensiunea contează în egală măsură atât într-un centru de date tentacular, cât și în vârful unui stâlp radio 5G. Circuitele electronice mai mici, care utilizează mai puțin metal, plastic și alte resurse ajută liderii din domeniul tehnologiei să își respecte obiectivele de sustenabilitate.
Circuite de putere mai mici
© ADI
Factorii de formă ai echipamentelor pentru servere sunt standard în întreaga industrie. Creșterea performanțelor unui ASIC necesită o creștere semnificativă a puterii. Pot inginerii să crească randamentul (procesarea informațiilor) având în vedere constrângerile constante legate de dimensiuni?
Răspuns: Inginerii de la ADI fac acest lucru posibil prin furnizarea celor mai puternice soluții de densitate de putere din industrie – adăugând valoare prin integrare avansată și tehnologie magnetică brevetată, oferind mai multă putere la o eficiență mai mare, într-un spațiu mai mic. În esență, prin inovațiile ADI, în același volum poate fi încorporată o capacitate de calcul mai mare.
Tehnologii avansate
Îmbunătățirile în proiectarea, asamblarea și integrarea circuitelor și a elementelor magnetice reduc, de asemenea, dimensiunea sistemului de putere în echipamentele de comunicații cu și fără fir. Tehnologia µModule®, inițiată de ADI, oferă cele mai solide soluții de densitate de putere din industrie, având în vedere că o serie de componente de putere, care alcătuiesc o soluție de putere completă, sunt integrate pe un singur substrat cu montare pe suprafață. Un circuit de alimentare convențional, care convertește o tensiune de intrare a magistralei în tensiuni la nivel de sistem poate conține până la 30 de componente separate. Prin combinarea acestor elemente de circuit într-un singur dispozitiv µModule, producătorii de echipamente pot reduce amprenta circuitului de alimentare, îl pot plasa mai aproape de sarcină, pot simplifica proiectarea și pot optimiza performanța sistemului.
Pe măsură ce tehnologia de procesare se îmbunătățește, tensiunile sistemului devin mai mici, iar cerințele de curent cresc într-o manieră neliniară. Această creștere spectaculoasă a curentului prin rețeaua de distribuție a energiei (PDN) creează pierderi care au un impact semnificativ asupra eficienței energetice a sistemului și a disipării energiei sub formă de căldură. După cum bine știm, pierderea de putere crește cu pătratul curentului. Cea mai mare provocare a noastră este reducerea acestor pierderi. Aici este locul în care tehnologia µModule de la ADI răspunde direct provocării.
Management inteligent al sistemului
© ADI
Pentru a obține o eficiență operațională maximă, este necesar un management inteligent al sistemului pentru a gestiona și controla eficient circuitele de alimentare. Sistemele radio 5G și ale serverelor din centrele de date pot beneficia astăzi de o nouă tehnologie, care permite operatorilor să îmbunătățească continuu eficiența și fiabilitatea de-a lungul timpului prin aplicarea informațiilor obținute din datele operaționale. Inteligența artificială sau alimentarea inteligentă oferă operatorilor de centre de date abilitatea de a monitoriza consumul de energie și de a opri sau alimenta din mers (on-the-fly) rack-urile serverelor, în funcție de necesități, pentru a economisi energie. Instalațiile care nu dispun de o gestionare inteligentă a sistemului pot ajunge să aibă serverele pornite, nejustificat, în afara orelor de vârf. Prin intermediul managementului inteligent al sistemului de la ADI, operatorii centrelor de date pot obține economii de energie de până la 25%, reducând în același timp facturile de electricitate.
Siguranță și fiabilitate
Centrele de date au nevoie de cantități enorme de energie pentru a funcționa. Monitorizarea și controlul acestei energii în caz de defecțiune este esențială pentru siguranță și fiabilitate. Tehnologia inteligentă de înlocuire la cald (hot swap) de la ADI definește standardul industrial în ceea ce privește monitorizarea și controlul necesar sistemului care permite o exploatare sigură și fiabilă a centrului de date.
Tehnologia hot swap asigură controlul în siguranță a curentului de intrare, prevenind solicitările asupra componentelor care pot cauza defecțiuni ale sistemului și degradarea performanțelor pe durata de viață a componentelor. În cazul unei defecțiuni, hot swap alertează sistemul și încearcă să limiteze problema sau să efectueze o oprire imediată pentru a preveni o defecțiune gravă, cum ar fi un incendiu.
Tehnologia inteligentă hot swap gestionează tensiunea și curentul la nivelul plăcii montate în rack, permițând instalarea în siguranță a unei plăci de rezervă (sau a unei plăci principale) fără a fi necesară oprirea întregului rack sau sistem. Acest lucru permite întreținerea fiabilă a unităților separate și minimizează întreruperile de service – economisind timp și bani.
Soluția inteligentă hot swap de la ADI este o tehnologie avansată care oferă o funcționare eficientă, sigură, securizată și fiabilă a sistemelor, aceștia fiind parametri critici pentru orice sistem de mare putere din centrele de date.
Soluții pentru sustenabilitate
Serviciile de telefonie mobilă și de date pe internet reprezintă modul în care cea mai mare parte a lumii rămâne conectată și informată. Amploarea acestor tehnologii are un impact enorm, atât din punct de vedere ecologic, cât și financiar. Tocmai de aceea, inovațiile în tehnologia de gestionare a energiei, care au potențialul de a îmbunătăți sustenabilitatea prin creșterea eficienței, sunt atât de valoroase.
Crearea de soluții sustenabile, care consumă mai puțină energie, este din ce în ce mai importantă în toate aplicațiile. Semiconductorii de putere sunt esențiali pentru acest obiectiv. Dar tehnologia este doar un punct de plecare. ADI se angajează să-i ajute pe proiectanții de sisteme electronice de putere să creeze centre de date sigure și fiabile și să aducă pe piață inovații în domeniul comunicațiilor, precum și să atingă obiectivul unui viitor sustenabil care va fi benefic pentru planetă și pentru populația lumii.
Autori:
Gary Sapia, Director, Power Technology Development & Market Expansion la Analog Devices
Andrea Pizzutelli, Senior Director of Product Applications in Data Center Equipment, Analog Devices
Despre autori:
Gary Sapia a obținut licența în inginerie la Texas A&M University, unde a absolvit cursuri de tehnologie avansată în domeniul electronicii de putere și al proiectării sistemelor RF. Are o experiență de peste 28 de ani axată pe proiectarea și dezvoltarea de sisteme analogice, inclusiv soluții de conversie a puterii și de înaltă frecvență pentru piețele de comunicații și GPS. Înainte de a se alătura companiei Analog Devices, Gary a lucrat timp de 18 ani ca inginer de aplicații de teren la Linear Technology (acum parte a ADI), concentrându-se pe Cisco și alte companii importante din Bay Area.
Andrea Pizzutelli deține un doctorat în tehnologia informației și o diplomă de licență în inginerie electrică de la Politecnico di Milano, Italia. Are 15 ani de experiență în dezvoltarea de produse integrate de conversie a puterii și a ocupat diverse poziții concentrându-se asupra piețelor centrelor de date, telecomunicațiilor și notebook-urilor. De asemenea, Andrea este coautor al mai multor lucrări științifice și deține numeroase brevete americane.
Vizitați https://ez.analog.com
