Cette augmentation n'est pas uniquement due à la multiplication des centres de données ; leur densité de puissance croît également rapidement. La consommation électrique des GPU (processeurs graphiques) les plus performants utilisés pour l'IA dépasse 1 kW, une hausse significative par rapport aux 500 W de la génération précédente. Les besoins énergétiques accrus de ces composants, conjugués à la nécessité d'augmenter le nombre de GPU par rack, font grimper la consommation électrique d'un seul rack jusqu'à un mégawatt.
La densité énergétique de ces types de racks est évidente lorsqu'on considère que, bien qu'ils aient la taille d'un grand réfrigérateur, on prévoit que d'ici 2027, la consommation d'un seul rack sera équivalente à celle de 65 foyers.
Cette demande énergétique a entraîné l'évolution du réseau de distribution électrique et des alimentations nécessaires. Au lieu d'utiliser un système de distribution d'énergie en courant alternatif installé dans le centre de données via un bus d'alimentation de 48 V, Nvidia propose désormais une alimentation en courant continu de 800 V distribuée aux serveurs d'IA du centre de données. Cela nécessite la conception d'alimentations plus compactes et plus efficaces afin de réduire les pertes.
Ces tendances ont un impact considérable sur la distribution et la conversion de l'énergie dans les centres de données. La nécessité de distribuer des gigawatts impose de réduire les pertes et d'accroître le rendement des alimentations. Un gain de rendement de quelques points de pourcentage seulement, de 97 % à 99 %, peut réduire significativement la consommation d'énergie et générer des économies sur les coûts d'exploitation et des avantages environnementaux. Un rendement supérieur signifie également un besoin moindre en refroidissement, ce qui permet d'économiser de l'eau et des matériaux diélectriques, et de concevoir des systèmes d'alimentation plus compacts. Les nouvelles technologies de conditionnement peuvent également simplifier la conception du système de refroidissement, réduisant ainsi la taille de l'alimentation et permettant d'installer davantage de GPU dans une baie.
La technologie du nitrure de gallium (GaN) offre la possibilité d'atteindre une efficacité plus élevée sur une surface plus petite grâce à sa capacité à commuter à des fréquences plus élevées que les autres technologies semi-conductrices.
Cependant, l'adoption de cette technologie ne se résume pas à un simple remplacement des composants en silicium dans les alimentations. Le GaN requiert une commande de grille plus complexe, variant entre -3 V et +6 V. Cela implique l'utilisation de pilotes de dispositifs différents, avec une synchronisation plus fine.
IceGaN
L'ajout d'une interface de grille à un transistor GaN 650 à faible résistance à l'état passant (RDS(on)) simplifie considérablement son utilisation dans la conception d'alimentations pour serveurs d'IA. Ceci permet d'utiliser un circuit intégré de commande MOS standard, polarisé typiquement entre 12 et 15 V, pour piloter le GaN.
La technologie ICeGaN® développée par Cambridge GaN Devices (CGD) repose sur un circuit intégré de puissance intégrant cette interface sur le même substrat que le transistor HEMT à enrichissement, au lieu d'utiliser un MOSFET en silicium séparé en configuration cascode ou un circuit intégré en silicium dans le même boîtier. L'intégration de l'interface sur la même puce permet d'obtenir un boîtier optimisé et compact à faible inductance, condition essentielle pour réduire les pertes et améliorer le rendement du convertisseur de puissance.
Les dispositifs ICeGaN intègrent un transistor HEMT à grille auxiliaire, connecté à l'entrée de grille externe, qui fournit une polarisation de grille interne stable au transistor HEMT principal en mode d'enrichissement. Ainsi, les dispositifs ICeGaN sont commandés par des tensions de grille comprises entre 9 V et 20 V environ et peuvent supporter des surtensions transitoires plus élevées. Ils doublent également la tension de seuil apparente (VTH), la portant à environ 3–4 V, ce qui améliore l'immunité au bruit de grille.
Un circuit de limitation Miller est intégré aux dispositifs ICeGaN afin de fournir une conversion abaisseuse-élévatrice efficace lorsque le transistor HEMT est bloqué. Ceci évite aux concepteurs d'avoir à appliquer des tensions de grille négatives pour maintenir le dispositif hors tension lorsqu'il est censé être dans cet état. Le circuit de limitation Miller élargit également la zone de fonctionnement sécuritaire (SOA) et améliore la fiabilité de la grille en absorbant les pentes dV/dt plus abruptes. Il est ainsi possible d'accroître la vitesse de commutation sans nécessiter de rails d'alimentation négatifs supplémentaires. En exploitant la variation de la résistance de grille lors du contrôle de la conductivité à l'état passant, les concepteurs peuvent adapter la vitesse de commutation de l'ICeGaN aux exigences de l'application, en optimisant le compromis entre les interférences électromagnétiques (EMI) et les pertes de commutation.
La consommation électrique dynamique des GPU pour les charges de travail d'IA engendre des fluctuations de charge importantes et rapides, impossibles à réinjecter dans le réseau électrique. Pour éviter cela, chaque étage de la chaîne de conversion AC/DC doit pouvoir gérer les variations de charge et intégrer un stockage d'énergie local suffisant pour lisser les fluctuations de puissance correspondantes.
Cela implique de dimensionner les composants et la conception thermique en fonction des charges de pointe, et non des charges moyennes, afin de garantir que le convertisseur CC/CC 800 V puisse fournir des tensions plus élevées pendant de courtes périodes sans subir de contraintes excessives ni de perte de régulation.
La tension à la grille interne du transistor HEMT de puissance commence à augmenter lorsque la tension à la grille externe dépasse environ 1,5 V. Ce seuil supplémentaire permet à ICeGaN d'offrir une tension de seuil plus élevée que le GaN conventionnel en mode d'enrichissement discret, à 2,9 V.
L'un des principaux avantages des transistors HEMT GaN réside dans leurs performances de commutation, grâce à une charge de grille très faible et à l'absence de diode structurelle, ce qui élimine quasiment toutes les pertes lors du blocage. Le dispositif étant bloqué à 0 V par le circuit Miller, les transistors ICeGaN ne souffrent pas des pertes par conduction inverse élevées généralement observées avec d'autres composants GaN. De plus, et c'est un point essentiel, le refroidissement du dispositif peut être considérablement amélioré par sa mise à la terre, permettant ainsi de réduire sa taille et d'abaisser les températures de fonctionnement.
Encapsulation
La réduction de la résistance thermique du boîtier offre plusieurs avantages. À RDS(on) égal, la puissance disponible est accrue et les composants peuvent fonctionner à des températures plus basses pour une même puissance de sortie, ce qui permet d'utiliser un dissipateur thermique plus petit et plus léger et, par conséquent, de réduire les coûts du système. Des températures de fonctionnement plus basses améliorent également la fiabilité, prolongent la durée de vie et réduisent la taille des alimentations dans les racks d'IA.
Le boîtier BHDFN-9-1 (DFN à dissipateur thermique inférieur) développé par CGD est refroidi par le bas et possède des bords mouillables pour faciliter l'inspection. Il utilise un cadre de connexion plus épais pour la dissipation thermique, offrant une résistance thermique de 0,28 K/W, une valeur égale ou supérieure à celle d'autres dispositifs. Mesurant 10 x 10 mm, le boîtier BHDFN est plus petit que le boîtier TOLL couramment utilisé, tout en occupant un encombrement similaire, ce qui le rend facile à utiliser.
Contrairement aux composants GaN discrets, l'ICeGaN possède une broche supplémentaire (broche 1) dédiée à l'alimentation de son circuit interne, tandis que la broche 2 correspond à la grille et la broche 3 à la source Kelvin (KS). Dans le boîtier TOLL, la broche 1 correspond à la grille et la broche KS à la source Kelvin. Cette configuration facilite le développement de schémas communs et compatibles : dans ce cas, un composant TOLL est décalé afin d'éviter toute connexion à la borne d'alimentation du schéma ICeGaN. Il est ainsi possible de remplacer presque directement un composant TOLL par un composant ICeGaN.
Conception de systèmes de conversion de puissance 800 V avec des dispositifs GaN
Une topologie couramment utilisée pour l'alimentation des centres de données consiste en un convertisseur résonant à demi-pont empilé en configuration ISOP (entrée série, sortie parallèle) permettant la conversion d'une tension de 800 V CC en une tension d'entrée de 650 V grâce à des transistors GaN. L'utilisation de transformateurs plats et d'une intégration magnétique avancée est essentielle pour obtenir les étages de puissance compacts et discrets nécessaires lorsque les modules de conversion doivent être installés à proximité des cartes GPU et CPU.
Les réseaux électriques distribués de 800 V utilisent déjà des fréquences de commutation de l'ordre de 500 à 800 kHz, avec des conceptions de référence pour les serveurs d'IA. Parallèlement à l'adoption croissante de la technologie GaN, on observe une forte tendance vers les fréquences de 1 MHz et au-delà afin d'accroître encore la densité de puissance et de réduire la taille des composants magnétiques, à condition que le rendement et les niveaux d'interférences électromagnétiques soient maintenus à ces fréquences plus élevées.
Sécurité
La sécurité est un aspect fondamental des architectures DC/DC 800 VDC et cela nécessite de prendre en compte d'autres facteurs lors de leur conception.
À 800 V CC, il est essentiel de renforcer l'isolation, en augmentant les distances d'isolement et les lignes de fuite par rapport aux architectures de barres omnibus à plus basse tension. Les systèmes ±400 V CC utilisent une connexion à la terre à haute résistance ou une mise à la terre directe au point médian par rapport à la terre de protection et nécessitent une ligne de fuite plus courte dans l'isolation que les systèmes 800 V à terminaison simple.
Les fonctions de remplacement à chaud et de fusible électronique sont généralement intégrées à l'étage 800 VDC sur une carte d'alimentation distribuée afin que l'isolation contre les pics de courant, les surcharges et les défauts soit contrôlée au plus près de l'alimentation de chaque rack.
Les convertisseurs CC/CC 800 V sont souvent réalisés en mode LLC en boucle ouverte, avec un contrôleur côté secondaire et une détection limitée côté primaire. De ce fait, une protection côté primaire, telle que la détection des courants transitoires et des états anormaux, est nécessaire pour gérer les défauts d'entrée en toute sécurité.
En cas de panne, la conception du convertisseur CC/CC 800 V CC doit strictement contenir la puissance afin d'empêcher la propagation de la fumée et du feu aux cartes GPU ou à d'autres composants, protégeant ainsi la disponibilité du système et l'intégrité du matériel.
Un exemple concret
Un prototype de module demi-pont de 3 kW, 400 V à 50 V, a été réalisé à l'aide de transistors CGD P2 présentant une résistance à l'état passant de 25 mΩ côté primaire d'un transformateur planaire. Ce prototype démontre les niveaux élevés de densité de puissance et de rendement atteignables avec la technologie HEMT ICeGaN. Le module atteint un rendement maximal de 98,7 % et un rendement de 97,5 % à pleine charge.
L'architecture modulaire facilite la configuration en parallèle pour des niveaux de puissance plus élevés, tels que 6 kW ou 12 kW, dans les applications CC/CC haute puissance. Le déphasage entre les modules imbriqués optimise le rendement global du système sur une large plage de charges.
Conclusion
Les concepteurs d'alimentations électriques s'intéressent de plus en plus à la technologie GaN pour les applications de centres de données. Cependant, l'obtention de performances optimales peut s'avérer complexe avec les dispositifs GaN conventionnels. Par exemple, la tension de grille négative requise limite le fonctionnement aux hautes fréquences atteignables avec des convertisseurs de puissance plus compacts.
Cependant, l'intégration d'une interface intelligente sur la même puce que le dispositif de puissance GaN apporte plusieurs avantages aux concepteurs d'alimentation des centres de données IA, car elle réduit considérablement le coût, la taille et le poids des alimentations dans les réseaux d'alimentation des centres de données 800 V.
Auteur : Di Chen, directrice du marketing technique, Cambridge GaN Device https://www.camgandevices.com
