Centros de datos sostenibles
La inteligencia artificial (IA) se está expandiendo rápidamente y penetrando en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, desde la generación de contenidos hasta los chatbots en línea que prestan servicios de atención al cliente. Detrás de esto hay un enorme crecimiento en el procesamiento de datos, gran parte del cual requiere una potente infraestructura informática. Antes de que estén listos para su uso, los modelos de IA requieren formación e inferencia, que normalmente se llevan a cabo en centros de datos avanzados.
Dentro de un centro de datos moderno, se suelen encontrar muchos miles de servidores de alto rendimiento. Cada uno de ellos requiere una cantidad significativa de energía, tanto para su funcionamiento como para su refrigeración. Con el rápido crecimiento generalizado, el consumo de energía en el sector de los centros de datos de IA se está disparando, lo que suscita preocupación por la sostenibilidad y el impacto medioambiental de esta revolución tecnológica.
La Agencia Internacional de la Energía (AIE) calcula que los centros de datos representan 1,5% de la demanda total de electricidad, aproximadamente 415 teravatios-hora (TWh) en 2024. Se espera que el consumo se duplique con creces hasta alcanzar unos 945 TWh, y que aumente hasta una cuota de 3% en 2030. Como los centros de datos suelen estar agrupados, la red eléctrica puede verse sometida a una gran presión.
Ingeniería del futuro: Adaptar la arquitectura energética de los centros de datos a la IA
En comparación con el uso típico de la web, como las búsquedas, la energía necesaria para la IA es mucho mayor, a menudo multiplicada por diez. Esto se debe principalmente a las potentes unidades de procesamiento gráfico (GPU) necesarias, ya que cada una puede consumir cientos de vatios. Los modelos de entrenamiento consumen mucha energía: por ejemplo, el entrenamiento de GPT-4 requiere 25.000 GPU NVIDIA A100 durante 3 meses, lo que supone un consumo de 50 gigavatios-hora (GWh) de energía y un coste de $100 millones, según OpenAI.
Lejos de ralentizarse, la IA está duplicando su consumo de energía cada seis meses y la industria consume tanta energía como una nación pequeña. A esta escala, las pérdidas son un verdadero problema. Cuando la electricidad se mueve durante su transmisión y distribución, se desperdician hasta 6% de energía debido a la resistencia de los cables. La energía de la red a la GPU se convierte más de cuatro veces, lo que supone una pérdida media de 12% de energía.
Cada uno de los miles de servidores puede consumir 40 kilovatios (kW), por lo que se utiliza un bus de gran potencia para trasladar la energía a los bastidores. El estándar de 12 voltios de corriente continua (VDC) ha pasado a ser de 48 VDC para reducir las corrientes. Pero para hacer frente a la demanda de energía para AI, un mayor +/-400 VDC arquitectura de bus.
Figura 1: Los centros de datos requieren múltiples etapas de conversión de energía
Los semiconductores de potencia son esenciales para la conversión eficiente de la energía a fin de satisfacer las necesidades de los procesadores de IA y las GPU. El carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) están sustituyendo al silicio, ya que permiten convertidores de potencia muy compactos y energéticamente eficientes, lo que mejora notablemente el coste total de propiedad (TCO) de los centros de datos.
Soluciones innovadoras para la eficiencia y la sostenibilidad
El suministro eléctrico del centro de datos, desde la red hasta el rack de la GPU, pasa por muchas conversiones de energía. Las soluciones de alimentación inteligentes de SiC y silicio (Si) son fundamentales para cada rama del árbol de alimentación. En primer lugar, la alimentación pasa por un transformador de estado sólido (SST) y un conmutador de transferencia automática (ATS) respaldado por un generador diésel. Los 20k VCA se convierte en una línea trifásica de 400 VCA, y, a continuación, pasa por un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). Los módulos discretos y de potencia EliteSiC pueden utilizarse para ofrecer una mayor eficiencia y densidad de potencia en este punto de entrada al centro de datos. A continuación, la unidad de distribución de energía convierte la tensión trifásica de 400 VCA a una red monofásica de 230 VCA línea a nivel de rack.
En el rack donde se ubican los servidores de GPU, se produce el resto de la conversión de energía. En la fuente de alimentación y la batería de reserva, la combinación de JFET SiC en cascada y MOSFET Si PowerTrench T10 es ideal para soluciones de conversión de CA a CC de alta potencia. Los JFET SiC en cascada de alta corriente son esenciales para la transición de la fuente de alimentación de 3 kW a la de 5 kW necesaria en la arquitectura de hiperescala de nueva generación.
Los MOSFET EliteSiC 650 V y los MOSFET T10 de onsemi se utilizan para transformar 230 VCA tensión de línea a 48 VDC primero y luego a 12 VDC a lo largo del flujo de potencia. La eficiencia de conversión es la clave aquí para mantener la especificación Open Rack V3 (ORV3) de 97,5% de eficiencia máxima. Esta alta eficiencia reduce la energía desperdiciada y ayuda a reducir los gastos de funcionamiento y las demandas de refrigeración. Los MOSFET T10 Si y los circuitos integrados de gestión de potencia también se utilizan para convertir los 48 V en una tensión de convertidor de bus intermedio (IBC) de 12 V para alimentar la rama Vcore (tensión del núcleo de la CPU) del árbol de potencia. Además, para las arquitecturas de bus de 400/800 V, los JFET de SiC y los JFET Combo de SiC ofrecen una protección fiable contra sobrecorriente para el intercambio en caliente/e-Fuse antes de la etapa IBC.
El futuro de la gestión energética en los centros de datos de IA
La eficiencia es el parámetro energético más crítico en los centros de datos de IA. Esto significa que las pérdidas deben minimizarse siempre que sea posible, entre otras cosas porque la refrigeración puede consumir hasta 50% de la energía utilizada en los centros de datos, mientras que la otra mitad la consumen los equipos informáticos, como servidores, sistemas de almacenamiento e infraestructura eléctrica.
onsemi es líder en soluciones para centros de datos de IA, y es uno de los pocos proveedores que puede satisfacer las necesidades de todo el árbol de potencia, desde la red hasta la GPU. El futuro requerirá tecnologías avanzadas de banda ancha, como EliteSiC y GaN vertical de onsemi, por su sólida conversión de potencia a frecuencias más altas, y mayores eficiencias que permiten diseños más compactos. Estos dispositivos pueden funcionar de forma fiable a temperaturas más elevadas, por lo que requieren menos refrigeración y permiten soluciones más compactas, además de reducir los costes de explotación.