借助電源完整性測試提高人工智能數(shù)據(jù)中心的能效

數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心正在部署基于人工智能 (AI) 的技術(shù)，處理器密集型服務(wù)器正在推動(dòng)能源需求的增長，下表說明了這種發(fā)展趨勢所帶來的巨大影響。國際能源署 (IEA) 預(yù)測，到2030年，數(shù)據(jù)中心的耗電量將占全球耗電量的7%，相當(dāng)于印度全國的耗電量。

圖1：數(shù)據(jù)中心CPU和GPU技術(shù)的功耗

由于電力需求不斷增長，關(guān)注能源效率至關(guān)重要。泰克與知名電源完整性專家 Steve Sandler 合作，開發(fā)了出色的測量技術(shù)，旨在改進(jìn)下一代人工智能數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營效率/能效。

提高電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的能效提高供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的能源效率

PDN必須為驅(qū)動(dòng)服務(wù)器機(jī)架中的GPU敏感負(fù)載提供許多低噪聲直流電源軌。追求更高速度和更高密度意味著，需要在更低電壓水平和更大電流下實(shí)現(xiàn)更快邊緣速率、更高頻率和更多軌道。這突顯了良好電源完整性的重要性。PDN必須為驅(qū)動(dòng)這些服務(wù)器機(jī)架中GPU的敏感負(fù)載提供許多低噪聲直流電源軌。追求更高的速度和更高的密度意味著更快的邊沿速率、更高的頻率和更多的電源軌，但電壓水平更低，電流更高，如上圖所示。這強(qiáng)調(diào)了良好的電源完整性。

進(jìn)行電源完整性測試的目的是，驗(yàn)證到達(dá)負(fù)載點(diǎn) （POL）的電壓和電流在所有預(yù)期運(yùn)行條件下是否滿足負(fù)載的電源軌規(guī)格要求。要在千兆赫頻率下準(zhǔn)確測量毫伏級(jí)電源軌噪聲，尤其需要注意。進(jìn)行電源完整性測量的目的是驗(yàn)證在所有預(yù)期工作條件下到達(dá)負(fù)載點(diǎn)（POL）的電壓和電流是否符合負(fù)載的電源軌規(guī)格。在GHz頻率下，需要特別注意精確測量電源軌噪聲的毫伏。

前所未有的低噪聲測量體驗(yàn)

讓我們通過基于的服務(wù)器系統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡(luò)高能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，了解如何評估PDN性能。

如圖所示，典型數(shù)據(jù)中心通過12V、24V或48V直流電源為其基于AI的服務(wù)器供電，然后在主板上將電壓轉(zhuǎn)換為其他電源電壓。工程師能夠查看從電源輸出到FPGA、處理器和其他復(fù)雜IC的鏈路中的每個(gè)環(huán)節(jié)，因此可以將電源軌阻抗控制在非常低的水平，以便輸送由GPU技術(shù)驅(qū)動(dòng)的AI服務(wù)器所需的高電流。阻抗管理的棘手之處在于配電網(wǎng)絡(luò)由許多阻抗組成，包括電壓調(diào)節(jié)器、去耦電容器和PCB走線。高速交換和熱插拔服務(wù)器卡會(huì)引入意外的阻抗變化，這可能導(dǎo)致過多的瞬變或噪聲。如圖所示，典型的數(shù)據(jù)中心通過12、24或48V DC電源為其基于AI的服務(wù)器供電，然后將其轉(zhuǎn)換為主板上的其他電源電壓。工程師能夠查看從電源輸出到FPGA、處理器和其他復(fù)雜IC的鏈條中的每個(gè)環(huán)節(jié)，因此必須將電源軌阻抗管理在非常低的水平，以便提供由GPU技術(shù)驅(qū)動(dòng)的以AI為中心的服務(wù)器中的高電流。使阻抗管理復(fù)雜化的是，網(wǎng)絡(luò)由許多阻抗組成，包括穩(wěn)壓器、去耦電容器和PCB走線。高速交換和熱插拔服務(wù)器卡會(huì)帶來意想不到的阻抗變化，從而導(dǎo)致過多的瞬變或噪聲。

要確保穩(wěn)定節(jié)能的設(shè)計(jì)，首先要最大限度地減少PDN中的噪聲。電源軌噪聲規(guī)格可以達(dá)到數(shù)百兆赫或數(shù)千兆赫的頻率范圍，其幅度達(dá)到毫伏級(jí)。要確保穩(wěn)定、節(jié)能的設(shè)計(jì)，首先要將PDN中的噪聲降至最低。電源軌上的噪聲規(guī)格可以上升到MHz或GHz頻率范圍，幅度以毫伏為單位。

評估能效首先要對交流線路輸入和輸出進(jìn)行電能質(zhì)量測量，以確保線電壓和線電流符合要求。

用于評估質(zhì)量的測量值如下所示：

? 頻率

?有效電壓和電流

?有效值

? 阻抗阻抗

? 波峰因數(shù)（電壓和電流）波峰因數(shù)（電壓和電流

? 有功功率、無功功率和視在功率真實(shí)功率、無功功率和視在功率

? 功率因數(shù)和相位功率因數(shù)和相位

為了確保準(zhǔn)確進(jìn)行這些測量，示波器探頭的選擇非常重要；使用差分探頭測量系統(tǒng)的線電壓，使用電流探頭測量系統(tǒng)的線電流。確保這些測量準(zhǔn)確無誤;示波器探頭的選擇很重要;使用差分探頭測量系統(tǒng)的線路電壓，使用電流探頭測量系統(tǒng)的線路電流。

另一個(gè)關(guān)鍵測量是對PDN控制環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。這將提供有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的重要信息。借助波特圖查看分析結(jié)果，圖3中是示例設(shè)置。

圖3：電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗的測量設(shè)置

電源完整性探測系統(tǒng)應(yīng)受重視電源完整性探測系統(tǒng)值得關(guān)注

當(dāng)今示波器配備的高阻抗10X無源探頭可能具有足夠的帶寬，但會(huì)使您想要測量的噪聲信號(hào)發(fā)生衰減。1X探頭可無衰減地傳遞噪聲信號(hào)，但其帶寬僅為幾百兆赫。具有50?輸入阻抗的傳輸線探頭或電纜具有出色的高頻性能，但在直流情況下會(huì)產(chǎn)生顯著負(fù)載，除非增加直流隔離器。 衰減傳輸線探頭產(chǎn)生的負(fù)載較小，同時(shí)保持低噪聲和高帶寬。當(dāng)今示波器附帶的高阻抗10X無源探頭可能具有足夠的帶寬，但它們會(huì)衰減您嘗試測量的噪聲信號(hào)。1X探頭通過噪聲信號(hào)而不衰減，但它們被限制在幾個(gè)MHz帶寬內(nèi)。輸入阻抗為50Ω的傳輸線探頭或電纜具有出色的高頻性能，但在直流時(shí)會(huì)造成很大的負(fù)載，除非添加直流模塊。衰減傳輸線探頭提供更少的負(fù)載，同時(shí)保持低噪聲和高帶寬。

電源軌探頭是另一類低噪聲探頭，偏移范圍高達(dá)4GHz，直流偏移范圍為-60至+60Vdc。在識(shí)別噪聲源方面，電源軌探頭是一種比傳統(tǒng)無源探頭更準(zhǔn)確的替代工具，如下圖4所示。根據(jù)電源軌的電壓，可能需要直流阻斷器。如果需要，請確保直流阻斷器為示波器提供浪涌保護(hù)，并且不受直流或交流偏置的影響。電源軌探頭雖然能夠測量很小的噪聲，但也是單端測量。 因此，需要使用能夠進(jìn)一步減少測量接地環(huán)路誤差的同軸隔離器。Picotest提供多種直流阻斷器和同軸隔離器來滿足此類需求。詳細(xì)了解終極電源軌噪聲測量。

圖4：使用無源探頭（下方跡線）和電源軌探頭（上方跡線）的電源線紋波測量比較

快速低噪聲采集與超快速邊緣負(fù)載相結(jié)合，可模擬AI級(jí)處理器工作負(fù)載，從而可以準(zhǔn)確評估PDN設(shè)計(jì)中的電源軌噪聲電壓以及電源軌與電源軌之間的串?dāng)_。在結(jié)合使用泰克5B系列MSO或6B系列MSO示波器的情況下，Picotest提供了完整的負(fù)載設(shè)備系列，最高為2,000安培、1納秒的邊緣負(fù)載，并支持高達(dá)65Ms/s的采樣率，以進(jìn)行精確的模擬實(shí)驗(yàn)。（見圖5）

圖5：顯示了對AI級(jí)處理器進(jìn)行偽隨機(jī)高幅度負(fù)載的特性分析

使用Picotest負(fù)載設(shè)備進(jìn)行特性分析，并通過泰克6系列B MSO示波器進(jìn)行測量，可以確保特性分析的準(zhǔn)確性。泰克6系列B MSO示波器是捕獲低噪聲、高分辨率信號(hào)的理想儀器。

示波器測量分析有助于節(jié)省時(shí)間并減少錯(cuò)誤

識(shí)別和分析PDN中的故障點(diǎn)可能耗費(fèi)時(shí)間。在電源分配網(wǎng)絡(luò)中尋找紋波、過沖、欠沖、開啟、關(guān)閉、時(shí)間趨勢、穩(wěn)定時(shí)間和抖動(dòng)信號(hào)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。值得慶幸的是，當(dāng)今大多數(shù)現(xiàn)代示波器都提供了內(nèi)置分析軟件，用于設(shè)置儀器和自動(dòng)執(zhí)行信號(hào)采集和顯示。下方為波紋自動(dòng)測量示例。將這些特性內(nèi)置到儀器中，再加上具備通過遠(yuǎn)程PC進(jìn)行自動(dòng)化的功能，可以簡化大型團(tuán)隊(duì)的AI性能評估工作，同時(shí)，還可以評估AI支持性能隨時(shí)間和溫度的變化情況，以測試服務(wù)器的效率和耐久性。

圖6：自動(dòng)紋波測量，并在5系列B MSO示波器顯示屏的右側(cè)顯示注釋結(jié)果

總結(jié)

由于人工智能（AI）推動(dòng)下一代數(shù)據(jù)中心的能源需求增長，評估電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的性能和效率變得比以往任何時(shí)候都更加重要。隨著人工智能（AI）推高下一代數(shù)據(jù)中心的能源需求;評估供電網(wǎng)絡(luò)的性能和效率變得比以往任何時(shí)候都更加重要。采用良好的PDN測試和測量策略，將會(huì)使AI就緒數(shù)據(jù)中心達(dá)到最佳運(yùn)行性能、可靠性和能效。