助電源完整性測試提高人工智能數據中心的能效

數據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(cháng)，下表說(shuō)明了這種發(fā)展趨勢所帶來(lái)的巨大影響。國際能源署 (IEA) 預測，到 2030 年，數據中心的耗電量將占全球耗電量的 7%，相當于印度全國的耗電量。

圖 1：數據中心 CPU 和 GPU 技術(shù)的功耗。

由于電力需求不斷增長(cháng)，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)了出色的測量技術(shù)，旨在改進(jìn)下一代人工智能數據中心的運營(yíng)效率/能效。隨著(zhù)對電力的需求不斷增長(cháng)，對能源效率的重視至關(guān)重要。與備受認可的電力完整性專(zhuān)家史蒂夫·桑德勒（Steve Sandler）合作;泰克開(kāi)發(fā)了良好的測量技術(shù)，以提高下一代 AI 數據中心的運營(yíng)/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 必須為驅動(dòng)服務(wù)器機架中的 GPU 敏感負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(zhù)，需要在更低電壓水平和更大電流下實(shí)現更快邊緣速率、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 必須為驅動(dòng)這些服務(wù)器機架中 GPU 的敏感負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(zhù)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。這強調了良好的電源完整性。

進(jìn)行電源完整性測試的目的是，驗證到達負載點(diǎn) (POL) 的電壓和電流在所有預期運行條件下是否滿(mǎn)足負載的電源軌規格要求。要在千兆赫頻率下準確測量毫伏級電源軌噪聲，尤其需要注意。進(jìn)行電源完整性測量的目的是驗證在所有預期工作條件下到達負載點(diǎn) （POL） 的電壓和電流是否符合負載的電源軌規格。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(guò)基于的服務(wù)器系統的電源分配網(wǎng)絡(luò )高能級結構圖，了解如何評估 PDN 性能。讓我們看一下如何通過(guò)基于服務(wù)器的系統上的配電網(wǎng)絡(luò )的高級視圖來(lái)評估 PDN 性能。

圖 2：數據中心的高級配電網(wǎng)絡(luò )。

如圖所示，典型數據中心通過(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、處理器和其他復雜 IC 的鏈路中的每個(gè)環(huán)節，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，包括電壓調節器、去耦電容器和 PCB 走線(xiàn)。高速交換和熱插拔服務(wù)器卡會(huì )引入意外的阻抗變化，這可能導致過(guò)多的瞬變或噪聲。如圖所示，典型的數據中心通過(guò) 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、處理器和其他復雜 IC 的鏈條中的每個(gè)環(huán)節，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)驅動(dòng)的以 AI 為中心的服務(wù)器中的高電流。使阻抗管理復雜化的是，網(wǎng)絡(luò )由許多阻抗組成，包括穩壓器、去耦電容器和PCB走線(xiàn)。高速交換和熱插拔服務(wù)器卡會(huì )帶來(lái)意想不到的阻抗變化，從而導致過(guò)多的瞬變或噪聲。

要確保穩定節能的設計，首先要最大限度地減少 PDN 中的噪聲。電源軌噪聲規格可以達到數百兆赫或數千兆赫的頻率范圍，其幅度達到毫伏級。要確保穩定、節能的設計，首先要將 PDN 中的噪聲降至最低。電源軌上的噪聲規格可以上升到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(xiàn)路輸入和輸出進(jìn)行電能質(zhì)量測量，以確保線(xiàn)電壓和線(xiàn)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(xiàn)路輸入和輸出進(jìn)行電能質(zhì)量測量，以確保線(xiàn)路電壓和線(xiàn)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（電壓和電流）波峰因數（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

• 功率因數和相位功率因數和相位

為了確保準確進(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的線(xiàn)電壓，使用電流探頭測量系統的線(xiàn)電流。確保這些測量準確無(wú)誤;示波器探頭的選擇很重要;使用差分探頭測量系統的線(xiàn)路電壓，使用電流探頭測量系統的線(xiàn)路電流。

另一個(gè)關(guān)鍵測量是對 PDN 控制環(huán)路響應進(jìn)行頻率響應分析。這將提供有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩定性的重要信息。借助波特圖查看分析結果，圖 3 中是示例設置。另一個(gè)關(guān)鍵測量是對PDN的控制環(huán)路響應進(jìn)行頻率響應分析。這將提供有關(guān)控制回路速度和電源穩定性的寶貴信息。波特圖用于查看分析，圖 3 中的設置示例如下。

圖 3：電源分配網(wǎng)絡(luò )阻抗的測量設置。

電源完整性探測系統應受重視電源完整性探測系統值得關(guān)注

當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 )使您想要測量的噪聲信號發(fā)生衰減。1X 探頭可無(wú)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(xiàn)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(zhù)負載，除非增加直流隔離器。  衰減傳輸線(xiàn)探頭產(chǎn)生的負載較小，同時(shí)保持低噪聲和高帶寬。當今示波器附帶的高阻抗 10X 無(wú)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。1X探頭通過(guò)噪聲信號而不衰減，但它們被限制在幾個(gè)MHz帶寬內。輸入阻抗為 50 Ω的傳輸線(xiàn)探頭或電纜具有出色的高頻性能，但在直流時(shí)會(huì )造成很大的負載，除非添加直流模塊。 衰減傳輸線(xiàn)探頭提供更少的負載，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 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無(wú)源探頭更準確的替代工具，如下圖 4 所示。根據電源軌的電壓，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(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(lái)滿(mǎn)足此類(lèi)需求。  詳細了解終極電源軌噪聲測量。電源軌探頭是另一類(lèi)探頭，可在高達 4 GHz 的頻率下提供低噪聲和高失調范圍，直流失調范圍為 -60 至 +60 Vdc。在識別噪聲源方面，這被視為傳統無(wú)源探頭的更準確替代方案;如下圖 4 所示。根據電源軌的電壓，可能需要一個(gè)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(jìn)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(lái)滿(mǎn)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(wú)源探頭（下方跡線(xiàn)）和電源軌探頭（上方跡線(xiàn)）的電源線(xiàn)紋波測量比較。

快速低噪聲采集與超快速邊緣負載相結合，可模擬 AI 級處理器工作負載，從而可以準確評估 PDN 設計中的電源軌噪聲電壓以及電源軌與電源軌之間的串擾。在結合使用泰克 5 B 系列 MSO 或 6 B 系列 MSO 示波器的情況下，Picotest提供了完整的負載設備系列，最高為 2,000 安培、1 納秒的邊緣負載，并支持高達 65Ms/s 的采樣率，以進(jìn)行精確的模擬實(shí)驗。（見(jiàn)圖 5）快速、低噪聲采集與超快邊緣負載相結合，可模擬 AI 級處理器工作負載;允許準確評估 PDN 設計中的電源軌噪聲電壓和電源軌到電源軌串擾。與泰克 5 系列 B MSO 或 6 系列 B MSO 示波器結合使用;Picotest 提供高達 2,000 安培、1ns 邊緣負載的完整負載系列，支持高達 65MS/s 的采樣率，以實(shí)現精確的仿真工作。（見(jiàn)圖5）

圖 5  顯示了對 AI 級處理器進(jìn)行偽隨機高幅度負載的特性分析。

使用 Picotest 負載設備進(jìn)行特性分析，并通過(guò)泰克 6 系列 B MSO 示波器進(jìn)行測量，可以確保特性分析的準確性。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 級處理器高振幅負載的偽隨機步長(cháng)的表征。這種表征的準確性是通過(guò)使用 Picotest 負載實(shí)現的，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省時(shí)間并減少錯誤

識別和分析 PDN 中的故障點(diǎn)可能耗費時(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、穩定時(shí)間和抖動(dòng)信號是一項復雜的任務(wù)。值得慶幸的是，當今大多數現代示波器都提供了內置分析軟件，用于設置儀器和自動(dòng)執行信號采集和顯示。下方為波紋自動(dòng)測量示例。將這些特性?xún)戎玫絻x器中，再加上具備通過(guò)遠程 PC 進(jìn)行自動(dòng)化的功能，可以簡(jiǎn)化大型團隊的 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顯示注釋結果。

總結

由于人工智能 (AI) 推動(dòng)下一代數據中心的能源需求增長(cháng)，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(zhù)人工智能 （AI） 推高下一代數據中心的能源需求;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 就緒數據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致數據中心在性能、可靠性和能源效率方面實(shí)現最佳功能、人工智能就緒。

(來(lái)源：泰克科技)