Suministro eléctrico para la nube y los centros de datos

Los centros de datos de IA son instalaciones a hiperescala construidas para dar respuesta a las exigentes demandas computacionales de las GPU, los ASIC y los modelos de lenguaje a gran escala (LLM). A diferencia de los centros de datos tradicionales, los servidores de IA consumen casi 10 veces más energía, y la densidad por rack está pasando de los 30-120 kW actuales a 1 MW por rack en un futuro próximo. Esto hace que sea necesario contar con fuentes de alimentación de mayor eficiencia, semiconductores de banda ancha (SiC y GaN) y sistemas avanzados de gestión térmica.

El cambio a una arquitectura HVDC (corriente continua de alta tensión) de ±400 V y 800 V reduce el número de etapas de conversión, disminuye las pérdidas I²R, reduce el consumo de cobre en aproximadamente 10 veces y mejora la eficiencia de extremo a extremo hasta alcanzar un 94-96%. A medida que los racks de IA superan los 100 kW, la distribución a 48 V deja de ser viable debido a las corrientes masivas (2,5–20 kA), lo que convierte a la HVDC en el nuevo estándar para las implementaciones de OCP ORV3 y Diablo 400.

Una cadena de alimentación típica de un centro de datos de IA incluye: Red eléctrica → Transformador de estado sólido (o SAI) → Fuente de alimentación CA-CC (PFC + LLC) → Convertidor de bus intermedio (IBC) → Convertidor CC-CC multifásico → Reguladores de punto de carga (PoL) que alimentan CPU, GPU, ASIC y FPGA. Cada etapa requiere componentes específicos — controladores PFC, SiC/MOSFET de GaN, controladores de puerta, etapas de potencia inteligentes, fusibles electrónicos y reguladores reductores PoL—, todos ellos disponibles a través de ON Semiconductor en DigiKey.

Cada tecnología de banda ancha cumple una función diferente:

• MOSFET de SiC (650 V–1200 V M3S): ideales para etapas de PFC y LLC que requieren una alta eficiencia y funcionamiento a altas temperaturas
• JFET de SiC y JFET combinados (750 V–1700 V): ideales para el intercambio en caliente en sistemas de alta tensión en corriente continua (HVDC), fusibles electrónicos, ORing e interruptores de estado sólido en arquitecturas de 400/800 V
• GaN con controlador integrado (iGaN de 650 V): ideal para diseños de alta frecuencia y alta densidad que requieren una conmutación rápida y un formato compacto

onsemi ofrece una gama de productos WBG —MOSFET de SiC, JFET en cascada, JFET combinados y GaN integrado (iGaN)— que abarca toda la pila de potencia para la inteligencia artificial.

Las fuentes de alimentación deben cumplir con las especificaciones 80 Plus Titanium y OCP Open Rack V3 (ORV3), alcanzando normalmente una eficiencia máxima ≥97,5% s con una carga de 50% s y un tiempo de autonomía de 20 ms a plena carga. El diseño de referencia de la fuente de alimentación en la nube con IA de 12 kW de onsemi alcanza una eficiencia máxima de 98% gracias al uso de MOSFET de SiC M3S de 650 V combinados con MOSFET PowerTrench T10, lo que le permite ofrecer 50% más potencia que los competidores habituales.

En las implementaciones a hiperescala, una mejora de la eficiencia de >0,5% supone un ahorro de aproximadamente 165 GWh al año, lo que equivale a unos 19 millones de dólares en costos de electricidad para un total de 3 millones de servidores. La elección de componentes de potencia de mayor eficiencia, como los MOSFET de SiC de ON Semiconductor, el PowerTrench T10 y las etapas de potencia inteligentes, reduce directamente el coste total de propiedad (TCO), la carga de refrigeración y la huella de carbono.

Los tipos más comunes son los siguientes:

• PFC de tipo Totem Pole: máxima eficiencia, mínima distorsión armónica total (THD) (requiere dispositivos WBG como SiC o GaN)
• Rectificador Vienna: la mejor opción para front-ends de fuentes de alimentación HVDC trifásicas de 25 a 30 kW
• LLC de puente completo y puente activo dual (DAB) — para etapas CC-CC aisladas
• Convertidor híbrido de condensadores conmutados (HSCC): para la conversión de alta densidad de 48 V a PoL

En estos diseños se suelen utilizar controladores de onsemi como el NCP1681 (PFC de tipo totem-pole), el NCP4390 (LLC) y el FAN9673 (PFC trifásico).

Los servidores de IA requieren una protección rápida e inteligente contra la sobrecorriente, las puntas de corriente de arranque, los cortocircuitos y los picos de tensión. Los fusibles inteligentes, como el NCP81428 de onsemi ( eFuse de 50 A con intercambio en caliente y PMBus), ofrecen telemetría, supervisión de la corriente máxima y protección programable. En las arquitecturas HVDC de 400 V/800 V, los JFET combinados de SiC y los JFET de SiC permiten desarrollar disyuntores de estado sólido (SSCB) con menores pérdidas, una respuesta más rápida ante fallos y una mayor eficiencia que las alternativas basadas en silicio.

Las líneas de alimentación de las GPU, CPU, ASIC y FPGA requieren una regulación reductora multifásica con una respuesta transitoria precisa y una alta densidad de corriente. El FD5012 de onsemi (controlador digital de 12 fases con PMBus) y el Smart Power Stage FDMF5048 (hasta 110 A de pico) ofrecen una mejora de la eficiencia de >0,5% respecto a las soluciones de la competencia, lo que supone un ahorro de > 80 millones de dólares en costos de electricidad para los operadores de IA a lo largo de su vida útil. Para aplicaciones PoL de alta intensidad, los reguladores reductores apilables NCP3286/NCP3296 admiten hasta 160 A.

Los ingenieros pueden acelerar el tiempo de comercialización utilizando las herramientas gratuitas de onsemi, disponibles junto con el servicio de suministro de componentes de DigiKey:

• Elite Power Simulator: simulación en línea basada en PLECS
• WebDesigner+: herramienta de diseño personalizado de fuentes de alimentación
• Herramienta de recomendación de productos+ (PRT+): selección guiada de componentes
• Diagramas de bloques interactivos: para centros de datos de IA, servidores acelerados por IA, fuentes de alimentación para servidores y placas base para servidores
• Diseños de referencia: entre los que se incluyen la fuente de alimentación AI Cloud de 12 kW y el PFC Totem-Pole de 3 kW

Las placas de evaluación como la NCP81428GEVB (intercambio en caliente), NIV3071MTW4GEVB (eFuse de 4 canales) y NCP-NCV51563D2PAK7LGEVB (controlador de puerta) ya están disponibles para su pedido en DigiKey.