借助電源完整性測(cè)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(dòng)能源需求的增長(zhǎng)，下表說(shuō)明了這種發(fā)展趨勢(shì)所帶來(lái)的巨大影響。國(guó)際能源署 (IEA) 預(yù)測(cè)，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(guó)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(zhǎng)，關(guān)注能源效率至關(guān)重要。泰克與知名電源完整性專(zhuān)家 Steve Sandler 合作，開(kāi)發(fā)了出色的測(cè)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(yíng)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。

進(jìn)行電源完整性測(cè)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(mǎn)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(cè)量毫伏級(jí)電源軌噪聲，尤其需要注意。

讓我們通過(guò)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(píng)估 PDN 性能。

圖 2：數(shù)據(jù)中心的高能級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)。

如圖所示，典型數(shù)據(jù)中心通過(guò) 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(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(guò)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)。

評(píng)估能效首先要對(duì)交流線路輸入和輸出進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)量，以確保線電壓和線電流符合要求。用于評(píng)估質(zhì)量的測(cè)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(wú)功功率和視在功率真實(shí)功率、無(wú)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(cè)量，示波器探頭的選擇非常重要；使用差分探頭測(cè)量系統(tǒng)的線電壓，使用電流探頭測(cè)量系統(tǒng)的線電流。

另一個(gè)關(guān)鍵測(cè)量是對(duì) 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(cè)量設(shè)置。

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

當(dāng)今示波器配備的高阻抗 10X 無(wú)源探頭可能具有足夠的帶寬，但會(huì)使您想要測(cè)量的噪聲信號(hào)發(fā)生衰減。1X 探頭可無(wú)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。

電源軌探頭是另一類(lèi)低噪聲探頭，偏移范圍高達(dá) 4 GHz，直流偏移范圍為 -60 至 +60 Vdc。在識(shí)別噪聲源方面，電源軌探頭是一種比傳統(tǒng)無(wú)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(qǐng)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(cè)量很小的噪聲，但也是單端測(cè)量。 因此，需要使用能夠進(jìn)一步減少測(cè)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(lái)滿(mǎn)足此類(lèi)需求。 詳細(xì)了解終極電源軌噪聲測(cè)量。

圖 4：使用無(wú)源探頭（下方跡線）和電源軌探頭（上方跡線）的電源線紋波測(cè)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(píng)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 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(dá) 65Ms/s 的采樣率，以進(jìn)行精確的模擬實(shí)驗(yàn)。（見(jiàn)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(jí)處理器工作負(fù)載;允許準(zhǔn)確評(píng)估 PDN 設(shè)計(jì)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(dá) 2,000 安培、1ns 邊緣負(fù)載的完整負(fù)載系列，支持高達(dá) 65MS/s 的采樣率，以實(shí)現(xiàn)精確的仿真工作。（見(jiàn)圖5）

圖 5 顯示了對(duì) 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(guò)泰克 6 系列 B MSO 示波器進(jìn)行測(cè)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(cè)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(guò)沖、欠沖、開(kāi)啟、關(guān)閉、時(shí)間趨勢(shì)、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(cè)量示例。將這些特性?xún)?nèi)置到儀器中，再加上具備通過(guò)遠(yuǎn)程 PC 進(jìn)行自動(dòng)化的功能，可以簡(jiǎn)化大型團(tuán)隊(duì)的 AI 性能評(píng)估工作，同時(shí)，還可以評(píng)估 AI 支持性能隨時(shí)間和溫度的變化情況，以測(cè)試服務(wù)器的效率和耐久性。

圖 6：自動(dòng)紋波測(cè)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(zhǎng)，評(píng)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。采用良好的 PDN 測(cè)試和測(cè)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。