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)，旨在改進下一代人工智能數(shù)據(jù)中心的運營效率/能效。隨著對電力的需求不斷增長，對能源效率的重視至關(guān)重要。與備受認(rèn)可的電力完整性專家史蒂夫·桑德勒（Steve Sandler）合作;泰克開發(fā)了良好的測量技術(shù)，以提高下一代 AI 數(shù)據(jù)中心的運營/瓦特。

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)動服務(wù)器機架中的 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)動這些服務(wù)器機架中 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。這強調(diào)了良好的電源完整性。

進行電源完整性測試的目的是，驗證到達負(fù)載點 (POL) 的電壓和電流在所有預(yù)期運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)確測量毫伏級電源軌噪聲，尤其需要注意。進行電源完整性測量的目的是驗證在所有預(yù)期工作條件下到達負(fù)載點 （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。

讓我們通過基于的服務(wù)器系統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡(luò)高能級結(jié)構(gòu)圖，了解如何評估 PDN 性能。讓我們看一下如何通過基于服務(wù)器的系統(tǒng)上的配電網(wǎng)絡(luò)的高級視圖來評估 PDN 性能。

圖 2：數(shù)據(jù)中心的高級配電網(wǎng)絡(luò)。

如圖所示，典型數(shù)據(jù)中心通過 12 V、24 V 或 48 V 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 48 V 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，首先要最大限度地減少 PDN 中的噪聲。電源軌噪聲規(guī)格可以達到數(shù)百兆赫或數(shù)千兆赫的頻率范圍，其幅度達到毫伏級。要確保穩(wěn)定、節(jié)能的設(shè)計，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：評估能效首先要對交流線路輸入和輸出進行電能質(zhì)量測量，以確保線路電壓和線路電流。

評估質(zhì)量的測量值如下所示：

• 頻率頻率

• 有效電壓和電流

• 有效值 電壓和電流

• 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。

另一個關(guān)鍵測量是對 PDN 控制環(huán)路響應(yīng)進行頻率響應(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。另一個關(guān)鍵測量是對PDN的控制環(huán)路響應(yīng)進行頻率響應(yīng)分析。這將提供有關(guān)控制回路速度和電源穩(wěn)定性的寶貴信息。波特圖用于查看分析，圖 3 中的設(shè)置示例如下。

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，但會使您想要測量的噪聲信號發(fā)生衰減。1X 探頭可無衰減地傳遞噪聲信號，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，但它們會衰減您嘗試測量的噪聲信號。1X探頭通過噪聲信號而不衰減，但它們被限制在幾個MHz帶寬內(nèi)。輸入阻抗為 50 Ω的傳輸線探頭或電纜具有出色的高頻性能，但在直流時會造成很大的負(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 4 GHz，直流偏移范圍為 -60 至 +60 Vdc。在識別噪聲源方面，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，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。電源軌探頭是另一類探頭，可在高達 4 GHz 的頻率下提供低噪聲和高失調(diào)范圍，直流失調(diào)范圍為 -60 至 +60 Vdc。在識別噪聲源方面，這被視為傳統(tǒng)無源探頭的更準(zhǔn)確替代方案;如下圖 4 所示。根據(jù)電源軌的電壓，可能需要一個直流塊。如果是這種情況，請確保它為示波器提供浪涌保護，并且對直流或交流偏置不敏感。電源軌探頭雖然噪聲非常低，但也是單端的。為此，請尋找能夠進一步減小測量接地環(huán)路誤差的同軸隔離器。Picotest提供一系列直流模塊和同軸隔離器來滿足這些需求。了解有關(guān)終極電源軌噪聲測量的更多信息。

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 級處理器工作負(fù)載，從而可以準(zhǔn)確評估 PDN 設(shè)計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 5 B 系列 MSO 或 6 B 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 65Ms/s 的采樣率，以進行精確的模擬實驗。（見圖 5）快速、低噪聲采集與超快邊緣負(fù)載相結(jié)合，可模擬 AI 級處理器工作負(fù)載;允許準(zhǔn)確評估 PDN 設(shè)計中的電源軌噪聲電壓和電源軌到電源軌串?dāng)_。與泰克 5 系列 B MSO 或 6 系列 B MSO 示波器結(jié)合使用;Picotest 提供高達 2,000 安培、1ns 邊緣負(fù)載的完整負(fù)載系列，支持高達 65MS/s 的采樣率，以實現(xiàn)精確的仿真工作。（見圖5）

圖 5  顯示了對 AI 級處理器進行偽隨機高幅度負(fù)載的特性分析。

使用 Picotest 負(fù)載設(shè)備進行特性分析，并通過泰克 6 系列 B MSO 示波器進行測量，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、高分辨率信號的理想儀器。圖5.顯示 AI 級處理器高振幅負(fù)載的偽隨機步長的表征。這種表征的準(zhǔn)確性是通過使用 Picotest 負(fù)載實現(xiàn)的，并由泰克 6 系列 B MSO 示波器測量，非常適合低噪聲和高分辨率信號捕獲。

示波器測量分析有助于節(jié)省時間并減少錯誤

識別和分析 PDN 中的故障點可能耗費時間。在電源分配網(wǎng)絡(luò)中尋找紋波、過沖、欠沖、開啟、關(guān)閉、時間趨勢、穩(wěn)定時間和抖動信號是一項復(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)置儀器和自動執(zhí)行信號采集和顯示。下方為波紋自動測量示例。將這些特性內(nèi)置到儀器中，再加上具備通過遠(yuǎn)程 PC 進行自動化的功能，可以簡化大型團隊的 AI 性能評估工作，同時，還可以評估 AI 支持性能隨時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候都更加重要。采用良好的 PDN 測試和測量策略，將會使 AI 就緒數(shù)據(jù)中心達到最佳運行性能、可靠性和能效，擁有良好的 PDN 評估測試和測量策略將導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心在性能、可靠性和能源效率方面實現(xiàn)最佳功能、人工智能就緒。

(來源：泰克科技)