通过电源完整性测试在人工智能数据中心实现更好的能源效率

　　介绍

　　基于人工智能的技术正在数据中心进行部署。处理器密集型服务器正在推高能源需求。下表说明了影响的严重程度。国际能源署 (IEA) 预测，到 2030 年，数据中心将占全球电力消耗的 7%;这个数字相当于印度整个国家的用电量。

　　图 1：数据中心 CPU 和 GPU 技术的功耗。

　　随着电力需求的不断增长，对能源效率的重视至关重要。与备受认可的电源完整性专家 Steve Sandler 合作;泰克开发了良好的测量技术 来提高下一代人工智能数据中心的运营/瓦数。

　　提高供电网络 (PDN) 的能源效率

　　PDN 必须提供许多低噪声直流电源轨，用于驱动这些服务器机架中的 GPU 的敏感负载。对更快速度和更高密度的追求意味着更快的边缘速率、更高的频率和更多的电源轨，但需要更低的电压水平和更高的电流，如上图所示。这强调了良好的电源完整性。

　　进行电源完整性测量的目的是验证到达负载点 (POL) 的电压和电流是否满足所有预期工作条件下负载的电源轨规格。需要特别注意精确测量 GHz 频率下的毫伏电源轨噪声。

　　让我们看一下如何通过基于服务器的系统上的配电网络的高级视图来评估 PDN 性能。

　　图 2：数据中心的高级配电网络。

　　如图所示，典型的数据中心通过 12、24 或 48 V 直流电源为其基于 AI 的服务器供电，然后将其转换为主板上的其他电源电压。由于能够查看从电源输出到 FPGA、处理器和其他复杂 IC 的链条中的每个环节，工程师必须将电源轨阻抗管理在非常低的水平，以便提供由 AI 驱动的以 AI 为中心的服务器中的高电流。 GPU技术。使阻抗管理变得复杂的是网络由许多阻抗组成，包括稳压器、去耦电容器和 PCB 走线。高速开关和热插拔服务器卡会带来意想不到的阻抗变化，从而导致过多的瞬态或噪声。

　　确保稳定、节能的设计首先要最大限度地减少 PDN 中的噪声。电源轨上的噪声规格可高达 MHz 或 GHz 频率范围，幅度以毫伏为单位。

　　评估能源效率首先要对交流线路输入和输出进行电能质量测量，以确保线路电压和线路电流。评估质量的测量值如下所示：

　　频率

　　有效值电压和电流

　　阻抗

　　波峰因数(电压和电流)

　　真实功率、无功功率和视在功率

　　功率因数和相位

　　确保这些测量准确;示波器探头的选择很重要;使用差分探头测量系统的线路电压，使用电流探头测量系统的线路电流。

　　另一个关键测量是对 PDN 控制环路响应进行频率响应分析。这将提供有关控制环路速度和电源稳定性的有价值的信息。波特图用于查看分析结果，图 3 中是一个示例设置。

　　图 3：配电网络中阻抗的测量设置。

　　电源完整性探测系统值得关注

　　当今示波器附带的高阻抗 10X 无源探头可能具有足够的带宽，但它们会衰减您要测量的噪声信号。 1X 探头可无衰减地传递噪声信号，但其带宽仅限于几 MHz。具有 50 Ω 输入阻抗的传输线探头或电缆可提供出色的高频性能，但会在直流时产生显着负载，除非添加隔直器。衰减传输线探头可减少负载，同时保持低噪声和高带宽。

　　电源轨探头是另一类探头，可在高达 4 GHz 的频率下提供低噪声和高偏置范围，直流偏置范围为 -60 至 +60 Vdc。在识别噪声源方面，这被视为比传统无源探头更准确的替代方案;如下图 4 所示。根据电源轨的电压，可能需要 DC 模块。如果是这种情况，请确保它为示波器提供浪涌保护，并且对直流或交流偏置不敏感。电源轨探头虽然噪声非常低，但也是单端的。为了提供帮助，请寻找可进一步最小化测量接地环路误差的同轴隔离器。 Picotest 提供一系列直流模块和同轴隔离器来满足这些需求。了解有关终极电源轨噪声测量的更多信息。

　　图 4：使用无源探头(迹线下方)和电源轨探头(迹线上方)测量电源线纹波的比较。看到区别了吗?

　　快速、低噪声采集与超快边缘负载相结合，可模拟 AI 级处理器工作负载;允许准确评估 PDN 设计中的电源轨噪声电压和电源轨间串扰。与泰克5 系列 B MSO或6 系列 B MSO 示波器结合使用; Picotest 提供高达 2,000 安培的完整负载系列、1ns 边缘负载，支持高达 65MS/s 的采样率，以实现精确的仿真工作。 (见图5)

　　图 5. 显示 AI 级处理器高振幅负载的伪随机步骤的表征。此表征的准确性是使用 Picotest 负载实现的，并通过 Tektronix 6 系列 B MSO 示波器进行测量，非常适合低噪声和高分辨率信号捕获。

　　示波器测量分析可节省时间、减少错误

　　识别和分析 PDN 中的故障点可能需要时间。寻找供电网络中的纹波、过冲、下冲、开启、关闭、时间趋势、稳定时间和抖动是一项复杂的任务。值得庆幸的是，当今大多数现代示波器都提供内置分析软件来设置仪器并自动执行信号采集和显示。下面是一个显示纹波自动测量的示例。将其内置到仪器中并能够从远程 PC 实现自动化，可以简化大型团队的工作，以评估人工智能随时间和温度变化的性能，以强调服务器的效率和耐用性。

　　图 6：自动纹波测量以及 5 系列 B MSO 示波器显示屏右侧的注释结果。

　　概括

　　随着人工智能(AI)推动下一代数据中心的能源需求;评估供电网络的性能和效率变得比以往任何时候都更加重要。

　　拥有良好的 PDN 评估测试和测量策略将在性能、可靠性和能源效率方面带来最佳运行、人工智能就绪的数据中心。

　　以上内容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科电子科技有限公司致力于打造仪器配附件一站式供应平台。主营范围：示波器测试附件配件的研发、生产、销售。涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、柔性电流探头、近场探头、电流互感器、射频测试线缆、各类仪器测试附件等。更多信息，欢迎登陆官方网站进行咨询：http://www.prbtek.cn