Auswahl der richtigen Kondensatoren für KI-Server: Technische Richtlinien für High-Performance-Computing

Kondensatoren mögen wie passive, zusätzliche Komponenten in Serverdesigns erscheinen, doch in KI-Servern spielen sie eine entscheidende Rolle für Stabilität, Einschwingverhalten und langfristige Zuverlässigkeit unter extremer elektrischer Belastung. Die Auswahl eines ungeeigneten Kondensators kann zu Spannungsabfall, thermischem Versagen, Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit oder sogar zu Systemabstürzen führen. Dieser Überblick über die wichtigsten Kondensatoren, die von der Elektronikabteilung von Ymin (Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd) angeboten werden, einer Kondensatormarke mit eigenen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten, kann helfen, die richtige Komponente für Ihre Anwendung zu finden. In diesem Blog bieten wir einen systematischen Leitfaden für die Auswahl von Kondensatoren, der speziell auf KI-Server-Ökosysteme zugeschnitten ist.

Die Rolle von Kondensatoren für Stromversorgung und Signalketten in KI-Servern

Bei KI-Servern unterscheidet sich die Arbeitslastdynamik von der allgemeinen Datenverarbeitung: Beschleuniger (z. B. GPUs, TPUs, ASICs) wechseln schnell den Leistungszustand, Speichermodule erfordern eine enge Spannungsregulierung über weite Frequenzbereiche, und bei Peripheriesystemen (Speicher, Netzwerke) können hohe Stromtransienten auftreten, wenn sich die I/O-Lasten verschieben. Kondensatoren erfüllen in diesen Systemen mehrere grundlegende Funktionen:

1. Speicherung / Glättung von Energie in großen Mengen
2. Entkopplung/Bypass über Frequenzbänder
3. Einschwingverhalten
4. Schutz vor Leistungsverlusten

Tabelle 1: Eine Aufschlüsselung der Kondensatoreigenschaften für die Verwendung in KI-Servern. (Bildquelle: Ymin)

Tabelle 1 zeigt eine Aufschlüsselung der wichtigsten Spezifikationen und deren Zuordnung zu den KI-Serveranforderungen:

Auswahl von Kondensatoren nach Subsystemen in KI-Servern

Hauptplatine und VRM-Stufen:

• Herausforderungen: Schnelle Einschwingströme, enge Spannungsregelung, Schaltrauschen
• Beste Kondensatortypen: Mehrschichtige Festpolymer-Aluminium-Kondensatoren, Conductive-Polymer-Tantal-Kondensatoren, Standard-Festpolymerkondensatoren
• Entwicklungsrichtlinien: Mischen Sie Kondensatoren für Speicherung und HF-Entkopplung (Polymer + MLCC), minimieren Sie die Induktivität, nutzen Sie Leistungsminderung

Stromversorgung (AC/DC-, DC/DC-Wandler):

• Die Herausforderungen: Hohe Restwelligkeit, Ineffizienzen bei der Umwandlung, lange Laufzeiten
• Beste Kondensatortypen: Nasse Elektrolytkondensatoren (Eingang), Polymer-Hybridkondensatoren (Ausgang), Polymer- oder Mehrschichtkondensatoren (HF-Filterung)
• Entwicklungsrichtlinien: Große Eingangskondensatoren, Ausgänge mit niedrigem ESR, Kontrolle der thermischen Bedingungen

Speicher / SSD / Stromausfallpufferung:

• Herausforderungen: Muss gespeicherte Energie bei Stromausfällen liefern
• Beste Kondensatortypen: Nasselektrolytkondensator, Polymer-Hybridkondensator, mehrschichtige Festpolymerkondensatoren
• Entwicklungsrichtlinien: E=½CV² berechnen, Redundanz sicherstellen, Verlust- und Alterungsmanagement

Netzwerke / Verbindungstechnik / Switches:

• Herausforderungen: Stoßweiser Verkehr, EMI, dynamische Belastung
• Beste Kondensatortypen: Festpolymerkondensatoren mit niedrigem ESR, mehrschichtige Festpolymerkondensatoren
• Entwicklungsrichtlinien: Verwenden Sie Kondensatoren für hohe Welligkeit, minimieren Sie Störgrößen, kombinieren Sie mit MLCCs

Gateway, Aggregationsknoten, externe Schnittstellen:

• Herausforderungen: Brückensysteme erfordern eine robuste Rauschunterdrückung.
• Beste Kondensatortypen: Mehrschichtige Festpolymer-Aluminium-Kondensatoren, Polymer/Hybrid-Typen
• Entwicklungsrichtlinien: Breitbandige Entkopplung, Welligkeitsunterdrückung, thermische Leistungsminderung

Mehrschichtige Festpolymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren wie der MPD121M1ED28040R (Abbildung 1) eignen sich gut für den Einsatz in jedem der oben genannten Server-Subsysteme.

Abbildung 1: Der MPD121M1ED28040R eignet sich gut für Server-Subsystem-Anwendungen. (Bildquelle: Ymin)

Praktische Schritte und Checkliste für Ingenieure

1. Definition der elektrischen Anforderungen (Transienten, Restwelligkeit, Energiespeicherung)
2. Zuordnung der Anforderungen zu ESR, Restwelligkeit, Kapazität, Lebensdauer, ESL
3. Auswahl der in Frage kommenden Kondensatorfamilien und Überprüfung der Leistungsminderungskurven
4. Simulation des Einschwingverhaltens und der Restwelligkeitsunterdrückung
5. Optimierung des Platinenlayouts für minimale parasitäre Impedanz
6. Überprüfung der thermischen und Zuverlässigkeitsmargen
7. Prototyp und Validierung in Stresstests
8. Planung von Redundanz und Schutzmaßnahmen

Fazit

Bei KI-Servern muss die Auswahl der Kondensatoren ganzheitlich erfolgen, d. h. sie müssen den Anforderungen bezüglich elektrischem Verhalten, dem Frequenzgang, der thermischen Zuverlässigkeit und der Alterung entsprechen. Es gibt keinen einzigen Kondensator, der für alle Aufgaben geeignet ist; stattdessen sollte eine hybride Mischung gewählt werden, um den Breitbandbedarf zu decken. Legen Sie Wert auf niedrigen ESR, Restwelligkeit und Temperaturbeständigkeit. Modellieren, testen und validieren Sie immer mit Sicherheitsspannen, um die langfristige Systemstabilität zu gewährleisten.