通過電源完整性測試在人工智能數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)更好的能源效率

　　介紹

　　基于人工智能的技術(shù)正在數(shù)據(jù)中心進行部署。處理器密集型服務(wù)器正在推高能源需求。下表說明了影響的嚴重程度。國際能源署 (IEA) 預測，到 2030 年，數(shù)據(jù)中心將占全球電力消耗的 7%;這個數(shù)字相當于印度整個國家的用電量。

　　圖 1：數(shù)據(jù)中心 CPU 和 GPU 技術(shù)的功耗。

　　隨著電力需求的不斷增長，對能源效率的重視至關(guān)重要。與備受認可的電源完整性專家 Steve Sandler 合作;泰克開發(fā)了良好的測量技術(shù) 來提高下一代人工智能數(shù)據(jù)中心的運營/瓦數(shù)。

　　提高供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的能源效率

　　PDN 必須提供許多低噪聲直流電源軌，用于驅(qū)動這些服務(wù)器機架中的 GPU 的敏感負載。對更快速度和更高密度的追求意味著更快的邊緣速率、更高的頻率和更多的電源軌，但需要更低的電壓水平和更高的電流，如上圖所示。這強調(diào)了良好的電源完整性。

　　進行電源完整性測量的目的是驗證到達負載點 (POL) 的電壓和電流是否滿足所有預期工作條件下負載的電源軌規(guī)格。需要特別注意精確測量 GHz 頻率下的毫伏電源軌噪聲。

　　讓我們看一下如何通過基于服務(wù)器的系統(tǒng)上的配電網(wǎng)絡(luò)的高級視圖來評估 PDN 性能。

　　圖 2：數(shù)據(jù)中心的高級配電網(wǎng)絡(luò)。

　　如圖所示，典型的數(shù)據(jù)中心通過 12、24 或 48 V 直流電源為其基于 AI 的服務(wù)器供電，然后將其轉(zhuǎn)換為主板上的其他電源電壓。由于能夠查看從電源輸出到 FPGA、處理器和其他復雜 IC 的鏈條中的每個環(huán)節(jié)，工程師必須將電源軌阻抗管理在非常低的水平，以便提供由 AI 驅(qū)動的以 AI 為中心的服務(wù)器中的高電流。 GPU技術(shù)。使阻抗管理變得復雜的是網(wǎng)絡(luò)由許多阻抗組成，包括穩(wěn)壓器、去耦電容器和 PCB 走線。高速開關(guān)和熱插拔服務(wù)器卡會帶來意想不到的阻抗變化，從而導致過多的瞬態(tài)或噪聲。

　　確保穩(wěn)定、節(jié)能的設(shè)計首先要最大限度地減少 PDN 中的噪聲。電源軌上的噪聲規(guī)格可高達 MHz 或 GHz 頻率范圍，幅度以毫伏為單位。

　　評估能源效率首先要對交流線路輸入和輸出進行電能質(zhì)量測量，以確保線路電壓和線路電流。評估質(zhì)量的測量值如下所示：

　　頻率

　　有效值電壓和電流

　　阻抗

　　波峰因數(shù)(電壓和電流)

　　真實功率、無功功率和視在功率

　　功率因數(shù)和相位

　　確保這些測量準確;示波器探頭的選擇很重要;使用差分探頭測量系統(tǒng)的線路電壓，使用電流探頭測量系統(tǒng)的線路電流。

　　另一個關(guān)鍵測量是對 PDN 控制環(huán)路響應(yīng)進行頻率響應(yīng)分析。這將提供有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的有價值的信息。波特圖用于查看分析結(jié)果，圖 3 中是一個示例設(shè)置。

　　圖 3：配電網(wǎng)絡(luò)中阻抗的測量設(shè)置。

　　電源完整性探測系統(tǒng)值得關(guān)注

　　當今示波器附帶的高阻抗 10X 無源探頭可能具有足夠的帶寬，但它們會衰減您要測量的噪聲信號。 1X 探頭可無衰減地傳遞噪聲信號，但其帶寬僅限于幾 MHz。具有 50 Ω 輸入阻抗的傳輸線探頭或電纜可提供出色的高頻性能，但會在直流時產(chǎn)生顯著負載，除非添加隔直器。衰減傳輸線探頭可減少負載，同時保持低噪聲和高帶寬。

　　電源軌探頭是另一類探頭，可在高達 4 GHz 的頻率下提供低噪聲和高偏置范圍，直流偏置范圍為 -60 至 +60 Vdc。在識別噪聲源方面，這被視為比傳統(tǒng)無源探頭更準確的替代方案;如下圖 4 所示。根據(jù)電源軌的電壓，可能需要 DC 模塊。如果是這種情況，請確保它為示波器提供浪涌保護，并且對直流或交流偏置不敏感。電源軌探頭雖然噪聲非常低，但也是單端的。為了提供幫助，請尋找可進一步最小化測量接地環(huán)路誤差的同軸隔離器。 Picotest 提供一系列直流模塊和同軸隔離器來滿足這些需求。了解有關(guān)終極電源軌噪聲測量的更多信息。

　　圖 4：使用無源探頭(跡線下方)和電源軌探頭(跡線上方)測量電源線紋波的比較。看到區(qū)別了嗎?

　　快速、低噪聲采集與超快邊緣負載相結(jié)合，可模擬 AI 級處理器工作負載;允許準確評估 PDN 設(shè)計中的電源軌噪聲電壓和電源軌間串擾。與泰克5 系列 B MSO或6 系列 B MSO 示波器結(jié)合使用; Picotest 提供高達 2,000 安培的完整負載系列、1ns 邊緣負載，支持高達 65MS/s 的采樣率，以實現(xiàn)精確的仿真工作。 (見圖5)

　　圖 5. 顯示 AI 級處理器高振幅負載的偽隨機步驟的表征。此表征的準確性是使用 Picotest 負載實現(xiàn)的，并通過 Tektronix 6 系列 B MSO 示波器進行測量，非常適合低噪聲和高分辨率信號捕獲。

　　示波器測量分析可節(jié)省時間、減少錯誤

　　識別和分析 PDN 中的故障點可能需要時間。尋找供電網(wǎng)絡(luò)中的紋波、過沖、下沖、開啟、關(guān)閉、時間趨勢、穩(wěn)定時間和抖動是一項復雜的任務(wù)。值得慶幸的是，當今大多數(shù)現(xiàn)代示波器都提供內(nèi)置分析軟件來設(shè)置儀器并自動執(zhí)行信號采集和顯示。下面是一個顯示紋波自動測量的示例。將其內(nèi)置到儀器中并能夠從遠程 PC 實現(xiàn)自動化，可以簡化大型團隊的工作，以評估人工智能隨時間和溫度變化的性能，以強調(diào)服務(wù)器的效率和耐用性。

　　圖 6：自動紋波測量以及 5 系列 B MSO 示波器顯示屏右側(cè)的注釋結(jié)果。

　　概括

　　隨著人工智能(AI)推動下一代數(shù)據(jù)中心的能源需求;評估供電網(wǎng)絡(luò)的性能和效率變得比以往任何時候都更加重要。

　　擁有良好的 PDN 評估測試和測量策略將在性能、可靠性和能源效率方面帶來最佳運行、人工智能就緒的數(shù)據(jù)中心。

　　以上內(nèi)容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于打造儀器配附件一站式供應(yīng)平臺。主營范圍：示波器測試附件配件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售。涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無源探頭、柔性電流探頭、近場探頭、電流互感器、射頻測試線纜、各類儀器測試附件等。更多信息，歡迎登陸官方網(wǎng)站進行咨詢：http://www.jmcsled.cn