Питание перестало быть скучной частью серверной стойки. Пока обсуждают архитектуры ускорителей и объёмы памяти, разработчики источников решают куда более приземлённую задачу: как довести до кристалла графического процессора киловатты мощности, не утопив стойку в тепле и не отдав половину объёма под преобразователи. Каждый процент КПД на промежуточном каскаде оборачивается десятками киловатт по машинному залу, а каждый лишний миллиметр высоты преобразователя — потерянной плотностью размещения.
Отсюда и повышенный интерес к широкозонным полупроводникам на низковольтных каскадах. Компания Efficient Power Conversion представила два транзистора седьмого поколения — EPC2378 на 25 В и EPC2370 на 18 В. Оба рассчитаны на синхронное выпрямление на вторичной стороне сильноточных преобразователей постоянного напряжения. Типовое сопротивление открытого канала у EPC2378 составляет 410 мкОм при заряде затвора 34 нКл, у EPC2370 — 280 мкОм при 26 нКл. Корпус у обоих одинаковый: PQFN размером 3,3 × 3,3 мм с открытой подложкой, допускающей двустороннее охлаждение.
Почему одного сопротивления канала уже недостаточно
Много лет низкое сопротивление открытого канала работало универсальным критерием при выборе силового транзистора. Логика простая: меньше сопротивление — меньше статические потери. Она и сейчас никуда не делась, но описывает только половину картины.
Как только частота преобразования уходит в область мегагерца, на первый план выходит динамика. Заряд затвора определяет, сколько энергии тратится на каждое включение и выключение. При параллельном соединении нескольких приборов в одном плече потери в драйверах перестают быть погрешностью и начинают заметно греть саму микросхему управления. Заряд выходной ёмкости добавляется к потерям на каждом переключении.
Алекс Лидоу, генеральный директор и сооснователь EPC, говорит об этом прямо: прошлые поколения нитрид-галлиевых приборов в диапазоне до 40 В с кремниевыми МОП-транзисторами конкурировать не могли, и компания туда попросту не шла. Разработчики оптимизировали не одно сопротивление, а два произведения — сопротивления канала на заряд затвора и сопротивления канала на заряд выходной ёмкости. По словам Лидоу, нарастить эффективность простым увеличением площади кристалла не выйдет: выигрывая на проводимости, конструкция сразу проигрывает на переключении.
Восемьсот вольт постоянного тока и шесть вольт на входе силового каскада
Классические схемы распределения питания в машинных залах подошли к своему пределу, когда потребление одного ускорителя перевалило за киловатты. NVIDIA переходит на распределение постоянного напряжения 800 В непосредственно до стойки. Мотив понятен: чем выше напряжение, тем меньше ток при той же мощности, а значит, меньше потери в меди и проще шинопроводы.
Одновременно входное напряжение многофазных силовых каскадов смещается к шести вольтам — так растёт плотность тока и снижаются потери на последнем участке до нагрузки. Красивое решение выглядит так: одна ступень преобразования с 800 В сразу до 6 В, без промежуточных каскадов. Практика жёстче. Коэффициент понижения получается огромным, выходной ток — тоже, а требование к КПД при полной нагрузке держится на уровне 97 процентов. Такое сочетание вытягивают только тщательно продуманная топология и очень хорошие ключи.
Один из рабочих подходов — архитектура с последовательным соединением входов и параллельным соединением выходов. Модули включаются последовательно по входу, что делит высокое напряжение между ними, и параллельно по выходу, что распределяет ток. Выигрыш получается сразу по нескольким направлениям:
- на каждом модуле оказывается лишь часть входного напряжения, поэтому можно применять более низковольтные ключи;
- у трансформатора снижается требуемый коэффициент трансформации, конструкция упрощается;
- тепло распределяется по нескольким модулям, а не концентрируется в одной точке;
- пульсации на выходе уменьшаются, требования к конденсаторам фильтра смягчаются.
Узкое место — синхронный выпрямитель
Для модуля мощностью 6 кВт, преобразующего 800 В в 6 В, выходной ток доходит до 1000 А. Здесь и появляется главная сложность. Такой ток обслуживают несколько параллельно включённых транзисторов выпрямителя, а частоту преобразования желательно держать на уровне мегагерца, чтобы уменьшить габариты трансформатора. Два требования тянут в разные стороны: параллельное включение снижает потери проводимости, но умножает потери в цепях управления затворами.
Частичный ответ даёт трансформатор со средней точкой на вторичной обмотке. При такой схеме ток нагрузки в каждый момент проводит только один транзистор, а не два последовательно, и потери проводимости падают. Плата за это — удвоенное напряжение на закрытом приборе, примерно двойное выходное.
Дальше начинается арифметика, из-за которой и появился прибор на 18 В. В установившемся режиме на транзисторе выпрямителя оказывается 12,5 В. С учётом десятипроцентного разброса напряжения на шине 800 В величина поднимается до 13,8 В. Транзистор с предельным напряжением 15 В такого запаса не даёт — восьмидесятипроцентное снижение номинала не выдерживается. Прибор на 18 В в этот запас укладывается, а у EPC2370 предусмотрено ещё и допустимое кратковременное напряжение 22 В.
Для привычной шины 48 В расклад другой. Там входное напряжение гуляет на двадцать процентов и доходит до 60 В, поэтому запаса требует больше — под такие промежуточные преобразователи с широким диапазоном входа и предназначен EPC2378 на 25 В.
Что получилось в железе
Демонстрационный модуль на 6 кВт собран в габаритах 140 × 120 мм. В каждой позиции синхронного выпрямителя стоят два EPC2370 параллельно. Расчётные показатели — 98 процентов в пике и 97 процентов при полной нагрузке.
Оценка перспектив у Лидоу выходит вполне конкретной: на каждый киловатт мощности графических процессоров в будущих платформах придётся больше сотни долларов силовых полупроводников, и около 85 процентов этой суммы — приложения, где нитрид галлия обходит альтернативы. Отсюда и смещение разработок компании в сторону инфраструктуры для ИИ, машинных залов и высокопроизводительных вычислений.
Стоит помнить, что оценка исходит от производителя нитрид-галлиевых приборов и оптимизм тут заложен по определению. Но сам факт остаётся фактом: в серверных источниках питания GaN работает уже около восьми лет, а разговор о нём сместился с экзотики на конкретные позиции в схеме — туда, где раньше безальтернативно стоял кремний.
