AI熱狂の中、データセンターHPCシステムを支える最新コンポーネント
著者 Pete Bartolik(ピート・バートリック) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-06-12
マルツ掲載日：2024-11-04
クラウドサービスの拡大や、より大きなスケーラビリティと膨大な計算リソースを必要とする大規模言語モデル(LLM)に依存する人工知能(AI)アプリケーションの需要が急増する中、データセンターの成長率は急上昇しています。
このため、より高い消費電力と熱管理のニーズに対応できる特殊なコンポーネントを利用した、新世代のハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)システムが必要となります。
このようなデータセンターのニーズは、製品設計者がAI処理の要件を満たすためにより高度なHPCデバイスを開発する際に利用できる、パワーコンデンサや抵抗器、インダクタのような強化された受動部品の需要を促進しています。
これらの要件には、データセンターがスペースを最適化し、システムの密度を高めることを可能にする、より小型のデバイスにおけるより高い効率性、性能、信頼性、熱管理が含まれます。
HPCの効率を高める優れたインダクタ
YAGEOグループの子会社であるKEMETは、DC/DCコンバータとスイッチモード電源の性能を向上させるために金属複合インダクタを開発しました。OEMにカスタム磁気部品を供給してきた実績を活かし、電流過渡に対する高い耐性と高い動作温度を特徴とし、コンパクトな設計と高性能を両立するMETCOM MPXパワーインダクタの標準品ラインを開発しました。
METCOMの金属複合パワーインダクタは、従来のフェライトインダクタよりも強い磁界を可能にする高い飽和磁束密度をコアにしています。温度や電流に対して安定したインダクタンスを提供します。
コアは金属粉で形成され、絶縁コーティングと結合剤が施されています。MPXシリーズで使用可能なインダクタンス範囲は0.1μHから100μHです。
温度や電流に対して安定したインダクタンスを持つ焼結磁性金属複合粉末(図1)で囲まれた丸い銅線を使用したこのインダクタ構造は、データセンターサーバ用スイッチモード電源、パワーインダクタ、EMIフィルタインダクタ、ポイントオブロードレギュレータなど、多くのDC/DCレギュレータに適しています。
図1：METCOM MPXパワーインダクタは、焼結磁性金属複合粉末で囲まれた丸い銅線を使用しています。(画像提供：KEMET)
金属粉末を使用すると、より高いエネルギー密度と耐熱性を備えたインダクタを製造できるため、フェライトコアインダクタよりも設置面積が小さくなり、さらに高周波でのコア損失が低くなり、電磁干渉(EMI)が抑制されるという利点もあります。これらすべてが相まって、データセンターの運用に不可欠な耐久性と信頼性が向上しています。
MPXシリーズには200以上のオプションがあり(図2)、Kemetは幅広い選択肢を提供します。大きさは、5×5mm、6×6mm、8×8mm、10×10mm、12×12mm、17×17mm、22×22mmが入手可能です。
図2：METCOM MPXの形状(画像提供：KEMET)
たとえば、MPX1D0630L3R3は、高さ3.0mmの6×6mm部品で、性能はそのままの状態で、高密度実装されたプリント基板上のスペースを効率的に使用することができます。定格動作温度は＋155℃まで、インダクタンスは3.3μH±20%、最大DC抵抗は30.3mΩで、電力の安全性、熱管理、効率の維持が重要なHPC環境に適しています。
MPX1D0530L220は、それほど厳密な要件が必要でない場合や、インダクタンス値に関する汎用性が高い場合には、フットプリント5×5mm、高さ3.0mm、インダクタンス22.00μHで提供されます。最大直流抵抗が341.2mΩと高いため、熱管理がそれほど問題でない場合や、システムに追加の冷却が組み込まれている場合に適しています。
HPC用パワービーズインダクタの選択
厳しい性能要求を伴わない一般的なEMI抑制が必要なHPCシステムでは、同じくYAGEOグループのPulse Electronicsが、大電流処理に最適化されたパワービーズインダクタを提供しています。それは、トランスインダクタ電圧レギュレータ(TLVR)トポロジ用に特別に設計されています。
フェライトコアパワービーズインダクタは、デスクトップコア電圧レギュレータ(VCORE)に一般的に使用されている巻線型トロイダルインダクタの代替品です。スルーホール技術(THT)で製造されるパワービーズインダクタは、より高い効率を実現し、より厳しい許容差を提供することで、VCOREレギュレータの小型化を可能にします。
多相降圧トポロジの単巻インダクタのリップル電流をずらすのではなく、パワービーズインダクタはより小さなインダクタンスを可能にし、負荷電流の変化に対するコンバータの応答速度(過渡応答)と制御ループの安定性との間の設計トレードオフを可能にします。
Pulse Electronicsのコンポーネントは、通常、サーバ、グラフィックスカード、ストレージ、データセンター向けのプロセッサ、メモリモジュール、大電流ASICSおよびFPGAに電力を供給する大電流多相電圧レギュレータに使用されます。これらの二重巻線TLVRインダクタは、4×4mmから13×13mmのフットプリントで、インダクタンス範囲は20nHから1μHです。
PGL6380.101HLTのようなPAL6373.XXXHLTシリーズのフォームファクタ(図3)の部品は、12×6mmのフットプリントで、インダクタンスは100nHから200nH、飽和電流定格は59Aから125Aピーク、動作温度範囲は－40℃から＋125℃です。
1ターンまたは2ターン巻線にフェライトコアを組み込んだ構造で、極めて低い直流抵抗(DCR)、高いピーク電流、低い交流損失を特徴としています。単相、統合位相、結合インダクタのバージョンがあります。
図3：Pulse ElectronicsのPAL6373.XXXHLTシリーズ パワービーズインダクタのフォームファクタ。(画像提供：Pulse Electronics)
HPCシステムの場合、パワービーズインダクタと金属複合タイプのどちらを選択するかは、高いインダクタンス安定性、耐熱性、ノイズ低減の必要性など、システム固有の要件によって決まります。KEMETインダクタは、＋180℃までの広い温度範囲にわたって安定した性能を提供し、そのモールド金属構造は、ノイズに敏感なHPCシステムで有利な音響ノイズの低減に役立ちます。
安定した長寿命コンデンサ
KEMETの導電性ポリマーアルミ固体電解コンデンサは、性能、効率、信頼性が重要なHPCシステムの厳しい要件にも適しています。
導電性液体電解質を使用する従来の「湿式」アルミ電解コンデンサとは異なり、KEMETコンデンサの固体ポリマーは、温度、周波数、動作寿命にわたって安定した低い等価直列抵抗(ESR)を特長としています。
電解液が乾燥して故障する可能性のある湿式コンデンサよりも高いリップル電流と長寿命が可能で、固体ポリマーデバイスは耐振動性に優れ、より安定するように設計されています。高周波でも静電容量を効果的に維持するため、高速スイッチング電源の魅力的な選択肢になります。
KEMETコンデンサは、HPCシステムで一般的な大電流要求の下でも、大幅な電力損失なしに効果的に動作し、導電性ポリマーと電解質の組み合わせにより、標準的な電解質と比較してより高い電圧に対応します。ポリマーアルミ固体電解コンデンサの改善された電気特性と堅牢性は、代替品と比較してHPCシステムの全体的な効率と信頼性を大幅に向上させることができます。
KEMETの表面実装コンデンサA768シリーズ(図4)は、幅広い温度範囲にわたって長寿命と高い安定性を提供するよう設計されており、18μFから1,200μFの容量値、4VDCから80VDCの電圧で提供されます。
たとえば、A768MS108M1CLAE015は16V、1000μFバージョンで、ESR定格は15mΩ、動作温度範囲は－55℃から＋125℃です。ランディングパッドのサイズは長さ0.406インチ×幅0.406インチ(10.30mm×10.30mm)です。
図4：KEMET A768シリーズの面実装固体ポリマーアルミコンデンサ。(画像提供：KEMET)
これらのコンデンサは、厳しい温度条件下でも性能を維持できるように設計されており、機械的ストレスや移動が不安定性を引き起こす可能性のあるHPC環境向けに、30gまでの振動に耐えるバージョンも用意されています。
薄膜チップ抵抗器
HPC設計のもう一つの重要なコンポーネントは、過電流から保護し、システム全体の安定性と効率を確保するために、パワーインバータとコンデンサを補完するチップ抵抗器です。2023年、YAGEOグループは、要求の厳しい環境でも高い安定性能を維持できるように設計された窒化タンタル薄膜チップ抵抗器NTシリーズを発表しました。
NTシリーズのセルフパッシベーション設計は、抵抗層を保護する防水層を形成し、水分の浸透を防ぎます。デバイスは0402から1206のパッケージサイズで、抵抗値は100Ωから481kΩの範囲で入手できます。
動作温度範囲が－55℃から＋155℃と広いNT抵抗器は、安定した電力分配と効率的なエネルギー伝送に貢献します。これらは±25ppm/℃、±50ppm/℃という低い抵抗温度係数(TCR)と、定格電力1/20Wから2/5Wを提供します。
まとめ
クラウドコンピューティングとAIの需要は、厳しい条件下で高い信頼性を提供する特定の特性を持つ電子部品の必要性を促します。設計者は、YAGEOグループとそのKEMETおよびPulse Electronicsのポートフォリオ企業が供給するような、特殊なパワーインダクタ、抵抗器、コンデンサを使用して、HPCシステムの進化する要件を満たすことができます。
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