Este incremento no se debe tan solo al mayor número de centros de datos: su densidad de potencia también aumenta con rapidez. El consumo eléctrico de las GPU (graphic processor units) más avanzadas que se utilizan para IA está por encima de 1 kW, lo cual supone un gran incremento respecto a los 500 W de la generación anterior. La mayor demanda eléctrica de los componentes, junto con la presión para incrementar el número de GPU por rack, está llevando el consumo eléctrico de un rack hasta un megavatio.

La densidad de potencia de este tipo de racks se evidencia al comprobar que, si bien tienen el tamaño de un frigorífico grande, se espera que en 2027 el consumo de un solo rack sea equivalente al de 65 hogares. .

Esta demanda energética ha provocado la evolución de la red de distribución eléctrica y de las fuentes de alimentación necesarias. En lugar de recurrir a una distribución eléctrica de CA instalada en el centro de datos mediante un bus de alimentación de 48 V, Nvidia ahora propone una alimentación de CC distribuida por los servidores de IA en el centro de datos a 800 V. Ello exige diseñar nuevas fuentes de alimentación más pequeñas y más eficientes para reducir las pérdidas.

Estas tendencias tienen una enorme influencia sobre la distribución y la conversión eléctrica en el centro de datos. La necesidad de distribuir gigavatios de potencia obliga a recortar las pérdidas y aumentar la eficiencia de las fuentes de alimentación. Incrementar la eficiencia en un par de puntos porcentuales, del 97% al 99%, puede reducir el consumo en gran medida y ofrecer un ahorro de los costes operativos y ventajas desde un punto de vista medioambiental. La mayor eficiencia también hace que se necesite menos refrigeración, ahorra costes en la cantidad de agua y el dieléctrico utilizado, permitiendo así que los sistemas de alimentación sean más pequeños. La nueva tecnología de encapsulado también puede simplificar el diseño de un sistema de refrigeración, por lo que disminuye el tamaño de la fuente de alimentación y ofrece la posibilidad de instalar más GPU en un rack.

La tecnología de nitruro de galio (GaN) ofrece la posibilidad de alcanzar una eficiencia más elevada en una menor superficie gracias a su capacidad de conmutación a mayores frecuencias que otras tecnologías de semiconductores.

Pero la adopción de esta tecnología no resulta tan sencilla como sustituir dispositivos de silicio directamente en las fuentes de alimentación. El GaN requiere un control más complejo de la puerta que varía entre -3 V y +6 V. Esto significa que se necesitan diferentes drivers del dispositivo cuya temporización es más compleja.

ICeGaN

La incorporación de una interfaz de puerta a un transistor de GaN de 650 con una baja resistencia en conducción (RDS(on)) puede simplificar enormemente el uso del dispositivo en el diseño de la fuente de alimentación para un servidor de IA. Esto permite utilizar un chip driver MOS estándar con una polarización típica de 12 V a 15 V para controlar el GaN.

La tecnología ICeGaN® desarrollada por Cambridge GaN Devices (CGD) consiste en un circuito integrado de potencia que integra esta interfaz en el mismo sustrato que el transistor HEMT en modo de enriquecimiento en lugar de utilizar un MOSFET de silicio por separado en una configuración cascode o un circuito integrado de silicio dentro del mismo encapsulado. La implementación de la interfaz en el mismo chip permite disponer de un encapsulado optimizado de bajo perfil con una baja inductancia, requisito fundamental para reducir las pérdidas y aumentar la eficiencia del convertidor de potencia.

Los dispositivos ICeGaN incorporan un HEMT de puerta auxiliar que se fija a la entrada de la puerta externa y proporciona una polarización de puerta interna estable al HEMT principal en modo de enriquecimiento. Esto significa que los dispositivos ICeGaN se controlan con polarizaciones de puerta entre 9 V y 20 V aproximadamente, y admiten tensiones transitorias más elevadas de forma segura. También duplican la tensión de umbral o VTH (threshold voltage) aparente hasta unos 3–4 V, mejorando así la inmunidad al ruido en la puerta.

También se integra un circuito bloqueador Miller (Miller clamp) en los dispositivos ICeGaN para proporcionar un fuerte impulso reductor cuando el HEMT no está conduciendo, de manera que los diseñadores no tengan que suministrar tensiones de puerta negativas para mantener el dispositivo desconectado cuando se supone que deba estar en este modo. El circuito bloqueador Miller también amplía el área amplia de funcionamiento seguro (SOA) y aumenta la fiabilidad de la puerta al absorber unas pendientes más acentuadas de dV/dt. De esta forma se logra aumentar la velocidad sin necesidad de añadir carriles de tensión negativa y basar el control en la variación del valor de la resistencia de puerta al pasar a conducir, por lo que los diseñadores pueden controlar la velocidad de conmutación de ICeGaN dependiendo de los requisitos de cada aplicación, y lograr un equilibrio entre EMI y pérdidas de conmutación.

El consumo dinámico de la GPU para cargas de trabajo de IA provoca grandes fluctuaciones rápidas de la carga que no se pueden devolver a la red de CA. Para impedirlo, cada fase de la cadena de conversión CA/CC debe ser capaz de asumir cargas transitorias e incluir el almacenamiento local de energía suficiente para suavizar las fluctuaciones correspondientes del consumo.

Esto implica dimensionar los componentes y el diseño térmico en función de los picos de carga, no de cargas medias, con el fin de garantizar que el convertidor CC/CC de 800 V pueda suministrar tensiones más altas durante poco tiempo sin sufrir un estrés excesivo o pérdida de regulación.

La tensión en la puerta interna del HEMT de potencia empieza a incrementarse cuando la tensión en la puerta externa se ha excedido en unos 1,5 V aproximadamente. Este umbral adicional es del que permite a ICeGaN ofrecer una tensión de umbral más elevada que el GaN convencional en modo de enriquecimiento discreto a 2,9 V.

Una de las principales ventajas de los dispositivos HEMT de GaN es su rendimiento en conmutación con una carga de puerta muy baja y sin diodo estructural, de ahí que prácticamente no tenga pérdidas cuando conmuta a corte. Como el bloqueador de Miller desconecta el dispositivo a 0 V, los dispositivos ICeGaN no sufren altas pérdidas en conducción inversa como ocurre con otros componentes de GaN. Y lo que es más importante: la refrigeración del dispositivo se puede mejorar de forma significativa conectando el dispositivo a tierra ya que esto permite utilizar componentes más pequeños y que el sistema funcione a temperaturas más bajas.

Encapsulado

Reducir la resistencia térmica del encapsulado presenta varias ventajas. Hay más potencia disponible para la misma RDS(on) y los dispositivos pueden funcionar a menores temperaturas para la misma potencia, por lo que es posible recurrir a un disipador de calor más pequeño y ligero que disminuye los costes del sistema. Las temperaturas de funcionamiento más bajas también aumentan la fiabilidad, prolongan la vida útil y disminuyen el tamaño de las fuentes de alimentación en los racks para IA.

El encapsulado BHDFN-9-1 (bottom heat-spreader DFN) desarrollado por CGD está refrigerado por la parte inferior y dispone de flancos humectables para facilitar su inspección. Utiliza un leadframe más grueso para dispersar el calor que le proporciona una resistencia térmica de 0,28 K/W, valor que iguala o supera al de otros dispositivos. Con sus 10x10 mm, el encapsulado BHDFN es más pequeño que el encapsulado TOLL de uso común pero ocupa una superficie similar que facilita su uso.

A diferencia de los dispositivos de GaN discretos, ICeGaN tiene una patilla más para alimentar su circuitería interna como patilla 1, mientras que el terminal de la puerta es la patilla 2 y el terminal de la fuente Kelvin (KS, Kelvin Source) es la patilla 3. En el encapsulado TOLL, el terminal de la puerta es la patilla 1 y la terminal de KS está en la patilla 2. Esto facilita el desarrollo de trazados comunes y compatibles, en cuyo caso un dispositivo TOLL se mueve hacia un lado con el fin de evitar la conexión al terminal de alimentación en el trazado de ICeGaN. Esto ofrece la oportunidad de sustitución casi directa de un dispositivo TOLL por uno ICeGaN.

Diseño de sistemas de conversión de potencia de 800V con dispositivos de GaN

Una topología muy utilizada para alimentar los centros de datos consiste en un convertidor resonante de medio puente apilado siguiendo una configuración ISOP (input-series, output-parallel) que permite la conversión de 800 VCC a la entrada mediante dispositivos GaN de 650 V. Los transformadores planos y la integración magnética avanzada son primordiales para ofrecer las etapas de alimentación compactas y de bajo perfil que se necesitan cuando los módulos de conversión deben estar cerca de las placas con GPU y CPU.

Las redes de alimentación distribuida de 800 V ya están utilizando frecuencias de conmutación del orden de 500–800 kHz con diseños de referencia para aplicaciones de servidores de IA. En paralelo a la adopción más generalizada de la tecnología de GaN existe un fuerte impulso hacia los 1 MHz y más allá para incrementar aún más la densidad de potencia y reducir el tamaño de los componentes magnéticos, siempre que se consiga mantener la eficiencia y el nivel de EMI a estas frecuencias más altas.

Seguridad

La seguridad es un aspecto fundamental para las arquitecturas CC/CC de 800 VCC y esto exige tener en cuenta otros factores para su diseño.

A 800 VCC es imprescindible reforzar el aislamiento, aumentando para ello las distancias en al aire y las líneas de fuga respecto a las arquitecturas de bus con una tensión menor. Los sistemas de ±400 VCC utilizan una conexión a tierra de alta resistencia o sólida en el punto medio hasta la puesta a tierra de protección y necesitan una menor línea de fuga en el aislamiento que los sistemas de 800 V con terminación sencilla.

Las funciones hot swap (intercambio en caliente) y eFuse (fusible electrónico) suelen estar integradas con la etapa de 800 VCC en una placa de alimentación distribuida para que el aislamiento frente a picos de corriente, sobrecargas y fallos se controlen lo más cerca posible de la alimentación de cada rack.

Los convertidores CC/CC de 800 V también se suelen implementar a menudo como etapas LLC de lazo abierto con el controlador en el lado secundario y detección limitada en el lado primario. Esto significa que hace falta añadir protección en el lado primario, como detección de corrientes transitorias y de estados anormales, para manejar los fallos de entrada de manera segura.

En caso de avería, el diseño de la conversión CC/CC de 800 VCC debe contener la energía de forma estricta para impedir que el humo y el fuego se propaguen a las placas con GPU u otros componentes, protegiendo así tanto el tiempo de actividad del sistema como la integridad del hardware.

Un ejemplo del mundo real

Se ha construido un prototipo de módulo de medio puente de 3 kW y 400 V a 50 V que utiliza dispositivos CGD P2 con una resistencia en conducción de 25 mΩ en el lado primario de un transformador plano para demostrar los altos niveles de densidad de potencia y eficiencia que son factibles con los HEMT ICeGaN. El módulo alcanza una eficiencia máxima del 98,7% y proporciona una eficiencia del 97,5% con la carga máxima.

La arquitectura modular facilita la configuración en paralelo para niveles más altos de potencia, como 6 kW o 12 kW, en aplicaciones de alimentación CC/CC de alta potencia. La eliminación de fases (phase-shedding) entre módulos intercalados sirve en tal caso para optimizar la eficiencia del sistema en su conjunto en un amplio rango de cargas.

Conclusión

Los diseñadores de fuentes de alimentación se plantean cada vez más recurrir a la tecnología de GaN en aplicaciones de centros de datos. Sin embargo, si en el diseño se utilizan dispositivos convencionales de GaN puede ser difícil lograr el rendimiento óptimo. Por ejemplo, la tensión de puerta negativa requerida dificulta su funcionamiento a las frecuencias más elevadas que permiten los diseños basados en convertidores de potencia de menor tamaño.

Ahora bien, la incorporación de una interfaz inteligente en el mismo chip que el dispositivo de potencia de GaN aporta varias ventajas a los diseñadores de alimentación de centros de datos para IA ya que disminuye enormemente el coste, el tamaño y el peso de las fuentes de alimentación en las redes de alimentación de los centros de datos de 800 V.

Autor: Di Chen, Technical Marketing Director, Cambridge GaN Device https://www.camgandevices.com