شکاف‌های توان گذرا در سطح میلی‌ثانیه در BBUهای رک سرور هوش مصنوعی: چرا یک «ابرخازن هیبریدی (LIC) + BBU» مناسب‌تر است؟

رک‌های سرور هوش مصنوعی در طول سوئیچینگ سریع بین بارهای آموزشی و استنتاجی، نوسانات برق در سطح میلی‌ثانیه (معمولاً 1 تا 50 میلی‌ثانیه) و افت ولتاژ باس DC را تجربه می‌کنند. انویدیا در طراحی رک برق GB300 NVL72 خود، اشاره می‌کند که رک برق آن، اجزای ذخیره‌سازی انرژی را ادغام کرده و با یک کنترلر کار می‌کند تا به هموارسازی سریع برق گذرا در سطح رک دست یابد (به مرجع [1] مراجعه کنید).

در عمل مهندسی، استفاده از یک «ابرخازن هیبریدی (LIC) + واحد پشتیبان باتری (BBU)» برای تشکیل یک لایه بافر مجاور می‌تواند «پاسخ گذرا» و «توان پشتیبان کوتاه‌مدت» را از هم جدا کند: LIC مسئول جبران‌سازی در سطح میلی‌ثانیه و BBU مسئول تصاحب در سطح ثانیه تا دقیقه است. این مقاله یک رویکرد انتخاب تکرارپذیر برای مهندسان، فهرستی از شاخص‌های کلیدی و موارد تأیید را ارائه می‌دهد. با در نظر گرفتن YMIN SLF 4.0V 4500F (ESR تک واحدی≤0.8mΩ، جریان تخلیه مداوم 200A، پارامترها باید به برگه مشخصات [3] مراجعه کنند) به عنوان نمونه، پیشنهادات پیکربندی و پشتیبانی از داده‌های مقایسه‌ای را ارائه می‌دهد.

منابع تغذیه رک BBU در حال انتقال «هموارسازی توان گذرا» به بار هستند.

با رسیدن مصرف برق تک رک به سطح صدها کیلووات، حجم کاری هوش مصنوعی می‌تواند در مدت زمان کوتاهی باعث افزایش ناگهانی جریان شود. اگر افت ولتاژ باس از آستانه سیستم فراتر رود، ممکن است باعث محافظت مادربرد، خطاهای GPU یا راه‌اندازی مجدد شود. برای کاهش تأثیرات اوج مصرف بر منبع تغذیه بالادست و شبکه، برخی از معماری‌ها در حال معرفی استراتژی‌های بافرینگ و کنترل انرژی در داخل رک برق رک هستند که اجازه می‌دهد افزایش ناگهانی برق "به صورت محلی جذب و آزاد شود" در داخل رک. پیام اصلی این طراحی این است: مشکلات گذرا ابتدا باید در نزدیکترین مکان به بار بررسی شوند.

در سرورهایی که مجهز به پردازنده‌های گرافیکی (GPU) با توان فوق‌العاده بالا (در سطح کیلووات) مانند NVIDIA GB200/GB300 هستند، چالش اصلی پیش روی سیستم‌های برق از برق پشتیبان سنتی به مدیریت نوسانات گذرای برق در سطوح میلی‌ثانیه و صدها کیلووات تغییر یافته است. راهکارهای سنتی برق پشتیبان BBU، که بر باتری‌های سرب-اسید متمرکز هستند، به دلیل تأخیر ذاتی واکنش شیمیایی، مقاومت داخلی بالا و قابلیت‌های محدود پذیرش شارژ پویا، از گلوگاه‌هایی در سرعت پاسخ و چگالی توان رنج می‌برند. این گلوگاه‌ها به عوامل کلیدی محدودکننده بهبود توان محاسباتی تک رک و قابلیت اطمینان سیستم تبدیل شده‌اند.

جدول 1: نمودار شماتیک محل قرارگیری حالت ذخیره‌سازی انرژی هیبریدی سه سطحی در واحد ذخیره‌سازی انرژی رک (نمودار جدول)

تکامل معماری

از «باتری پشتیبان» تا «حالت ذخیره‌سازی انرژی هیبریدی سه‌لایه»

واحدهای ذخیره انرژی سنتی (BBU) در درجه اول برای ذخیره انرژی به باتری‌ها متکی هستند. باتری‌ها که با کمبود برق در سطح میلی‌ثانیه مواجه هستند، به دلیل محدودیت سینتیک واکنش شیمیایی و مقاومت داخلی معادل، اغلب نسبت به ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر خازن، با سرعت کمتری پاسخ می‌دهند. بنابراین، راهکارهای کنار رک شروع به اتخاذ یک استراتژی چند مرحله‌ای کرده‌اند: "LIC (گذرا) + BBU (کوتاه‌مدت) + UPS/HVDC (بلندمدت)":

LIC که به صورت موازی نزدیک باس DC متصل شده است: جبران توان در سطح میلی‌ثانیه و پشتیبانی ولتاژ (شارژ و دشارژ با نرخ بالا) را انجام می‌دهد.

BBU (باتری یا سایر منابع ذخیره انرژی): کنترل سطح دوم تا دقیقه (سیستمی که برای مدت زمان پشتیبان طراحی شده است) را بر عهده دارد.

UPS/HVDC در سطح مرکز داده: منبع تغذیه بدون وقفه و تنظیم سمت شبکه را در درازمدت مدیریت می‌کند.

این تقسیم کار، «متغیرهای سریع» و «متغیرهای کند» را از هم جدا می‌کند: تثبیت اتوبوس در عین کاهش استرس بلندمدت و فشار تعمیر و نگهداری بر واحدهای ذخیره انرژی.

تحلیل عمیق: چرا YMINابرخازن‌های هیبریدی?

ابرخازن هیبریدی ymin با نام LIC (خازن لیتیوم-یون) از نظر ساختاری ویژگی‌های توان بالای خازن‌ها را با چگالی انرژی بالای یک سیستم الکتروشیمیایی ترکیب می‌کند. در سناریوهای جبران گذرا، کلید تحمل بار عبارت است از: خروجی انرژی مورد نیاز در محدوده Δt هدف، و ارائه یک جریان پالس به اندازه کافی بزرگ در محدوده مجاز افزایش دما و افت ولتاژ.

خروجی توان بالا: هنگامی که بار پردازنده گرافیکی به طور ناگهانی تغییر می‌کند یا شبکه برق دچار نوسان می‌شود، باتری‌های سرب-اسید سنتی، به دلیل سرعت واکنش شیمیایی آهسته و مقاومت داخلی بالا، به سرعت در قابلیت پذیرش شارژ پویای خود دچار افت می‌شوند و در نتیجه در عرض چند میلی‌ثانیه قادر به پاسخگویی نیستند. ابرخازن هیبریدی می‌تواند جبران آنی را در عرض ۱ تا ۵۰ میلی‌ثانیه انجام دهد و به دنبال آن، توان پشتیبان در سطح دقیقه از منبع تغذیه پشتیبان BBU تأمین می‌شود که ولتاژ باس پایدار را تضمین کرده و خطر خرابی مادربرد و پردازنده گرافیکی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

بهینه‌سازی حجم و وزن: هنگام مقایسه «انرژی معادل موجود (تعیین‌شده توسط پنجره ولتاژ V_hi→V_lo) + پنجره گذرای معادل (Δt)،» راهکار لایه بافر LIC معمولاً حجم و وزن را در مقایسه با پشتیبان‌گیری باتری سنتی به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد (کاهش حجم تقریباً 50٪ تا 70٪، کاهش وزن تقریباً 50٪ تا 60٪، مقادیر معمول در دسترس عموم نیستند و نیاز به تأیید پروژه دارند)، و فضای رک و منابع جریان هوا را آزاد می‌کند. (درصد خاص به مشخصات، اجزای ساختاری و راه‌حل‌های اتلاف حرارت شیء مقایسه بستگی دارد؛ تأیید خاص پروژه توصیه می‌شود.)

بهبود سرعت شارژ: LIC از قابلیت‌های شارژ و دشارژ با نرخ بالا برخوردار است و سرعت شارژ مجدد آن معمولاً بالاتر از راه‌حل‌های باتری است (بهبود سرعت بیش از 5 برابر، دستیابی به شارژ سریع نزدیک به ده دقیقه؛ منبع: ابرخازن هیبریدی در مقابل مقادیر معمول باتری سرب-اسید). زمان شارژ مجدد با حاشیه توان سیستم، استراتژی شارژ و طراحی حرارتی تعیین می‌شود. توصیه می‌شود از «زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد تا V_hi» به عنوان یک معیار پذیرش، همراه با ارزیابی افزایش دمای پالس مکرر استفاده شود.

عمر چرخه طولانی: باتری‌های LIC معمولاً در شرایط شارژ و دشارژ با فرکانس بالا، عمر چرخه طولانی‌تر و نیاز به نگهداری کمتری دارند (۱ میلیون چرخه، بیش از ۶ سال طول عمر، تقریباً ۲۰۰ برابر باتری‌های سرب-اسید سنتی؛ منبع: ابرخازن‌های هیبریدی در مقایسه با باتری‌های سرب-اسید معمولی). محدودیت‌های عمر چرخه و افزایش دما تابع مشخصات و شرایط آزمایش خاص هستند. از دیدگاه چرخه کامل، این امر به کاهش هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری و خرابی کمک می‌کند.

شکل ۲: شماتیک سیستم ذخیره انرژی هیبریدی:

باتری لیتیوم-یون (سطح دقیقه دوم) + خازن لیتیوم-یون LIC (بافر سطح میلی‌ثانیه)

این ماژول که بر اساس طراحی مرجع کارت گرافیک NVIDIA GB300 با نام تجاری Japanese Musashi CCP3300SC (3.8V 3000F) ساخته شده است، در مشخصات عمومی خود از چگالی ظرفیت بالاتر، ولتاژ بالاتر و ظرفیت بالاتر بهره می‌برد: ولتاژ عملیاتی 4.0 ولت و ظرفیت 4500F که منجر به ذخیره انرژی تک سلولی بالاتر و قابلیت‌های بافرینگ قوی‌تر در همان اندازه ماژول می‌شود و پاسخ‌دهی بی‌نقص در سطح میلی‌ثانیه را تضمین می‌کند.

پارامترهای کلیدی ابرخازن‌های هیبریدی سری YMIN SLF:

ولتاژ نامی: ۴.۰ ولت؛ ظرفیت اسمی: ۴۵۰۰ درجه فارنهایت

مقاومت داخلی DC/ESR: ≤0.8mΩ

جریان تخلیه مداوم: 200A

محدوده ولتاژ عملیاتی: ۴.۰ تا ۲.۵ ولت

با استفاده از راهکار بافر محلی BBU مبتنی بر ابرخازن هیبریدی YMIN، می‌توان جبران جریان بالا را در یک پنجره میلی‌ثانیه‌ای به باس DC ارائه داد و پایداری ولتاژ باس را بهبود بخشید. در مقایسه با سایر راهکارها با همان انرژی موجود و پنجره گذرا، لایه بافر معمولاً اشغال فضا را کاهش داده و منابع رک را آزاد می‌کند. همچنین برای شارژ و دشارژ با فرکانس بالا و نیازهای بازیابی سریع مناسب‌تر است و فشار تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد. عملکرد خاص باید بر اساس مشخصات پروژه تأیید شود.

راهنمای انتخاب: تطبیق دقیق با سناریو

در مواجهه با چالش‌های شدید قدرت محاسباتی هوش مصنوعی، نوآوری در سیستم‌های تامین برق بسیار مهم است.ابرخازن هیبریدی SLF 4.0V 4500F شرکت YMINبا فناوری اختصاصی مستحکم خود، یک راهکار لایه بافر BBU با کارایی بالا و بسیار قابل اعتماد تولید داخل ارائه می‌دهد که پشتیبانی اصلی را برای تکامل مداوم، پایدار، کارآمد و فشرده مراکز داده هوش مصنوعی فراهم می‌کند.

اگر به اطلاعات فنی دقیق نیاز دارید، می‌توانیم موارد زیر را ارائه دهیم: برگه‌های اطلاعات، داده‌های تست، جداول انتخاب کاربرد، نمونه‌ها و غیره. لطفاً اطلاعات کلیدی مانند: ولتاژ باس، ΔP/Δt، ابعاد فضا، دمای محیط و مشخصات طول عمر را نیز ارائه دهید تا بتوانیم به سرعت توصیه‌های پیکربندی را ارائه دهیم.

بخش پرسش و پاسخ

س: بار پردازنده گرافیکی یک سرور هوش مصنوعی می‌تواند در عرض چند میلی‌ثانیه ۱۵۰٪ افزایش یابد و باتری‌های سرب-اسید سنتی نمی‌توانند این افزایش را تحمل کنند. زمان پاسخ ویژه ابرخازن‌های لیتیوم-یونی YMIN چقدر است و چگونه به این پشتیبانی سریع دست می‌یابید؟

الف) ابرخازن‌های هیبریدی YMIN (SLF 4.0V 4500F) بر اصول ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی تکیه دارند و مقاومت داخلی بسیار کمی (≤0.8mΩ) دارند که امکان تخلیه آنی با سرعت بالا را در محدوده 1 تا 50 میلی‌ثانیه فراهم می‌کند. هنگامی که یک تغییر ناگهانی در بار GPU باعث افت شدید ولتاژ باس DC می‌شود، می‌تواند جریان زیادی را تقریباً بدون تأخیر آزاد کند و مستقیماً توان باس را جبران کند، در نتیجه برای منبع تغذیه BBU پشتیبان زمان می‌خرد تا بیدار شود و کنترل را به دست گیرد و انتقال ولتاژ روان را تضمین کند و از خطاهای محاسباتی یا خرابی سخت‌افزاری ناشی از افت ولتاژ جلوگیری کند.

خلاصه در انتهای این مقاله

سناریوهای قابل اجرا: مناسب برای BBUهای (واحدهای برق پشتیبان) سطح رک سرورهای هوش مصنوعی در سناریوهایی که باس DC با افزایش/افت ولتاژ گذرا در سطح میلی‌ثانیه مواجه می‌شود؛ قابل اجرا در معماری بافر محلی "ابرخازن هیبریدی + BBU" برای تثبیت ولتاژ باس و جبران گذرا در شرایط قطع برق کوتاه‌مدت، نوسانات شبکه و تغییرات ناگهانی بار GPU.

مزایای اصلی: پاسخ سریع در سطح میلی‌ثانیه (جبران پنجره‌های گذرای ۱ تا ۵۰ میلی‌ثانیه)؛ مقاومت داخلی کم/قابلیت جریان بالا، بهبود پایداری ولتاژ باس و کاهش خطر راه‌اندازی مجدد غیرمنتظره؛ پشتیبانی از شارژ و دشارژ با نرخ بالا و شارژ سریع، کاهش زمان بازیابی توان پشتیبان؛ مناسب‌تر برای شرایط شارژ و دشارژ با فرکانس بالا در مقایسه با راه‌حل‌های باتری سنتی، کمک به کاهش فشار تعمیر و نگهداری و هزینه‌های کل چرخه عمر.

مدل پیشنهادی: ابرخازن هیبریدی مربعی YMIN SLF 4.0V 4500F

جمع‌آوری داده‌ها (مشخصات/گزارش‌های آزمایش/نمونه‌ها):

وب‌سایت رسمی: www.ymin.com
خط ویژه فنی: ۳۳۶۱۷۸۴۸-۰۲۱

منابع (منابع عمومی)

[1] اطلاعات عمومی رسمی انویدیا/وبلاگ فنی: مقدمه‌ای بر GB300 NVL72 (قفسه قدرت) هموارسازی گذرا در سطح رک/ذخیره انرژی

[2] گزارش‌های عمومی از رسانه‌ها/مؤسساتی مانند TrendForce: برنامه‌های کاربردی مرتبط با مجوز صدور مجوز (LIC) و اطلاعات زنجیره تأمین GB200/GB300

[3] شرکت الکترونیک YMIN شانگهای «مشخصات ابرخازن هیبریدی SLF 4.0V 4500F» را ارائه می‌دهد.