Choisir les condensateurs adaptés aux serveurs d'IA : directives techniques pour le calcul à haute performance

Les condensateurs peuvent sembler être des composants passifs et auxiliaires dans la conception des serveurs. Pourtant, dans les serveurs d'intelligence artificielle, ils jouent un rôle essentiel en assurant la stabilité, la réponse transitoire et la fiabilité à long terme dans des conditions de contraintes électriques extrêmes. Le choix d'un condensateur inapproprié peut entraîner une chute de tension, une défaillance thermique, une dégradation de la fiabilité, voire des pannes au niveau du système. Un examen des principaux condensateurs proposés par la division électronique de Ymin (Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd), une marque de condensateurs disposant de ressources internes en recherche et développement, peut aider à illustrer la manière de choisir le composant adapté à chaque application. Dans ce blog, nous fournissons un guide systématique, à vocation technique, pour la sélection de condensateurs spécifiquement adaptés aux écosystèmes de serveurs d'IA.

Rôle des condensateurs dans les chaînes de signal et d'alimentation des serveurs d'IA

Dans les serveurs d'IA, la dynamique de la charge de travail diffère de celle de l'informatique générale : les accélérateurs (processeurs graphiques GPU, unités TPU, circuits ASIC, par exemple) changent rapidement d'état d'alimentation, les modules de mémoire exigent une régulation stricte de la tension sur de larges gammes de fréquence, tandis que les systèmes périphériques (stockage, réseau) peuvent subir des transitoires à fort courant lorsque les charges d'E/S changent. Dans ces systèmes, les condensateurs jouent plusieurs rôles fondamentaux :

1. Stockage de masse de l'énergie / lissage
2. Découplage / contournement dans les bandes de fréquences
3. Réponse transitoire
4. Protection contre les pertes de puissance

Tableau 1 : Classification des caractéristiques des condensateurs utilisés dans les serveurs d'intelligence artificielle. (Source de l'image : Ymin)

Le Tableau 1 présente une classification des spécifications les plus critiques et la manière dont elles correspondent aux exigences des serveurs d'IA :

Sélection des condensateurs par sous-système dans les serveurs d'IA

Carte mère & étages VRM :

• Défis : courants transitoires rapides, régulation stricte de la tension, bruit de commutation
• Meilleurs types de condensateurs : polymère solide aluminium multicouche, tantale polymère conducteur, polymère solide standard
• Directives de conception : combiner découplage de masse et découplage HF (polymère + MLCC), minimiser l'inductance, appliquer un détarage

Alimentation (convertisseurs CA/CC, CC/CC) :

• Défis : forte ondulation, inefficacité de la conversion, longues durées d'utilisation
• Meilleurs types de condensateurs : électrolytique liquide (entrée), hybrides polymères (sortie), polymère ou multicouche (filtrage HF)
• Directives de conception : condensateurs de masse d'entrée de grande capacité, sorties à faible résistance série équivalente (ESR), contrôle des conditions thermiques

Stockage / disques SSD / mise en mémoire tampon en cas de coupure de courant :

• Défis : fournir l'énergie stockée pendant les coupures de courant
• Meilleurs types de condensateurs : électrolytique liquide, hybride polymère, solides polymères multicouches
• Directives de conception : calculer E=½CV², assurer la redondance, gérer les fuites et le vieillissement

Réseaux / interconnexion / commutateurs :

• Défis : trafic irrégulier, interférences électromagnétiques, charge dynamique
• Meilleurs types de condensateurs : solides polymères à faible résistance série équivalente, solides polymères multicouches
• Directives de conception : utiliser des condensateurs à forte ondulation du courant, minimiser les parasites, combiner avec des condensateurs MLCC

Passerelle, nœuds d'agrégation, interfaces externes :

• Défis : les systèmes de pont nécessitent une suppression efficace du bruit.
• Meilleurs types de condensateurs : aluminium solide multicouche polymère, types hybrides/polymère
• Directives de conception : découplage à large bande, suppression de l'ondulation, détarage thermique

Les condensateurs électrolytiques solides en aluminium polymère multicouches, tels que le MPD121M1ED28040R (Figure 1), sont particulièrement bien adaptés à une utilisation dans chacun des sous-systèmes de serveur susmentionnés.

Figure 1 : Le MPD121M1ED28040R est particulièrement bien adapté aux applications de sous-systèmes de serveurs. (Source de l'image : Ymin)

Marche à suivre & liste de contrôle pour les ingénieurs

1. Définir les exigences électriques (transitoires, ondulations, stockage d'énergie)
2. Faire correspondre les exigences et la résistance série équivalente, l'ondulation, la capacité, la durée de vie, l'inductance série équivalente
3. Sélectionner les familles de condensateurs candidats et vérifier les courbes de détarage
4. Simuler les performances transitoires et la suppression des ondulations
5. Optimiser la disposition du circuit imprimé pour minimiser l'impédance parasite
6. Vérifier les marges thermiques et de fiabilité
7. Réaliser des prototypes et les valider dans le cadre de tests de résistance
8. Planifier des mesures de redondance et de protection

Conclusion

Dans les serveurs d'IA, la sélection des condensateurs doit être holistique : il faut tenir compte du comportement électrique, de la réponse en fréquence, de la fiabilité thermique et du vieillissement. Il n'existe pas de condensateur unique adapté à toutes les fonctions ; les ingénieurs doivent plutôt opter pour une combinaison hybride afin de couvrir les besoins en large bande. La priorité est donnée à une faible résistance série équivalente, à la capacité d'ondulation et à la résistance à la température. Il convient de toujours modéliser, tester et valider avec des marges de sécurité afin d'assurer la stabilité à long terme du système.