AI 的能源悖论以及电容器如何提供帮助
快速阅读: 《药物发现与开发》消息，《人工智能的环境影响》报告显示，到2027年，AI行业电力需求巨大。为应对这一挑战，需优化功率电子设计，如使用高效LLC转换器和先进电容器技术，以减少能耗并提升效率。功率电子工程师在实现无缝电力转换中起关键作用，助力数据中心绿色可持续发展。
[图片 来源于Adobe Stock]
根据《人工智能的环境影响》报告，到2027年，AI行业预计将消耗约85至134太瓦时（TWh）的电力。这一庞大的电力需求相当于大约15座核电站、6000台风力涡轮机或者15亿个LED灯泡。详见图1了解具体规模。
AI的迅猛发展对电力基础设施提出了前所未有的需求。AI模型，特别是大型语言模型（LLMs），需要巨大的计算资源和能源。当我们希望从这些技术进步中受益，减少化石燃料的电力消耗并同时缓解气候变化的影响时，我们面临了一个需要关注的功率电子领域的悖论。随着AI对能源需求的持续增长，数据中心必须采用高效的功率电子设计，包括LLC（电感-电感-电容）转换器和先进的电容器技术，以最小化能量损失并节省空间。
图1. 电容器在电力基础设施中的核心作用
无论应用如何，电容器都是工作马达组件，可以解决电压稳定性、噪声抑制和效率问题。这些多功能的核心功能使其在现代数据中心的每个电力传输级别上不可或缺。能量存储和释放是填补电力缺口并在瞬态条件下保持连续性的关键能力。在正确的时间提供即时能量是确保数据中心不间断运行的基础。
电压稳定对于支持敏感设备至关重要。像电源单元（PSU）和DC/DC转换器这样的硬件依赖于电容器来平滑纹波并维持稳定的输出，避免因电压波动而导致性能下降。通过滤除高频噪声并抑制电磁干扰（EMI），电容器有助于确保电力传输的清洁性和可靠性，这对于在存在切换组件的情况下尤为重要。
随着数据中心推动计算密度的边界，噪声过滤和抑制也是电容器的关键功能。AI数据中心中电力从电网到芯片的旅程从电网到数据中心的电力旅程不仅仅是电力传输的机制，它还是奠定精确、稳定和高效运营基础的机会（图2）。
图2. 简化概述展示了AI服务器中电网到芯片的电力旅程。自动切换开关（ATS）= 自动切换开关。低压配电（LV PD）= 低压配电。此处“低压”指400V直流电。不间断电源（UPS）= 不间断电源。电源分配单元（PDU）= 电源分配单元。电源单元（PSU）= 电源单元。负载点（POL）= 负载点（例如在AI芯片、GPU等处）。
在公用事业层面，电力输送始于从电网以数百千伏的电压供电，通常由多种独立供电线路支持以确保可用性。一旦到达建筑物层面，电力管理开始接收来自公用事业供电的中压电力（例如数十千伏），并将其转换为下游系统可用的形式（例如数百伏）。该过程涉及调节和分配电力以输送到机架。确定何时以及何处将交流电转换为直流电是至关重要的。虽然工程设计趋势有所变化，但目前常见的是在约400V时进行直流配电。
在备用层面，通过不间断电源（UPS）和燃油驱动发电机实现向备用电源的平稳切换，保护数据中心操作的连续性。电容器和无源元件在这个架构中至关重要，在UPS系统中支持快速能量释放，通过逆变器中的电感调节电流流动，并通过电容器和无源滤波器提供浪涌保护。向备用电源的平稳切换至关重要，因为即使是毫秒级的停机时间也可能中断敏感的工作负载。
在机架层面，电源分配单元（PDUs）和电源供应单元（PSUs）协同工作，将电力转换并分配给服务器、存储设备和GPU/TPUs，同时在机架物理限制下运行。热管理必须考虑这些物理限制下的高功率密度。
在板级，电力从数百伏降到数十伏，电力输送变得更加精细。依据服务器设计，这是中间总线转换器（IBCs）的领域。为了在严格容差范围内提供洁净且可靠的电力输送，电容器和其他无源元件通过主电容器、去耦电容器、电感器和EMI滤波器支持电压稳定、电流平滑和噪声抑制。
在芯片级，现代AI处理器如GPU和TPU在极低电压下运作（通常约为1V），具有极高电流。在板级，负载点（POL）DC/DC转换器将电力降低以供应这些超低电压，通常同时管理三到五个不同的电压等级。
先进电容器技术在机架级展现出效率提升。尽管从电网到数据中心的整个过程中都有提高效率的机会，但机架级作为建筑级电力分配与单个服务器和设备之间的关键中介起着重要作用。电源供应单元（PSU）负责将分配到服务器机架的电力转换为单个服务器刀片所需的电力。依据数据中心内部的电力分配方案，PSU可能需要执行AC/DC和DC/DC转换或处理DC/DC模块。
功率电子工程师在实现无缝电力转换方面发挥关键作用。高效完成转换可确保数据中心以最低能耗运行。
电容器绝非简单组件，而是控制的基石，能够精准调控电压、电流和功率随时间的变化。在电源供应单元（PSU）的功能模块内，有显著机会提高效率、减少能量损失、提升功率密度，并确保更多空间用于计算资源。
LLC谐振转换器常用于DC/DC转换模块，尤其是在需要高效率、低噪声和紧凑设计的应用中。在LLC转换器中，LLC电路包含一个谐振电容器，用于调谐在数百kHz范围内的串联或并联谐振电路。该电路在整个工作范围内实现了零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），从而实现更高的切换频率、更小的组件尺寸和减少的电磁干扰（EMI）。
LLC谐振转换器内的另一个关键功能块是谐振逆变器，它使用切换网络将直流输入电压转换为适合LLC电路的方波。LLC电路通过选择性吸收方波共振频率的最大功率来滤除高次谐波，然后通过磁共振产生不同形状的正弦电压。这种波形通过变压器放大或缩小，整流并过滤成最终形式：转换后的直流输出电压。
此过程的效率与谐振器的品质因数（Q值）密切相关，这取决于等效串联电阻（ESR）和恒定电容的可预测性。低损耗电容器（即具有低ESR和高Q的电容器）已经在电动汽车的LLC谐振转换器中显示出显著的效率提升，并有望在数据中心带来类似的好处。在电动汽车中，这些电容器降低了内部损耗，减少了热量散发，并支持更高的切换频率。这些因素对于数据中心功率转换系统的性能和可靠性同样至关重要。
有了合适的功率电子设备，我们可以更有效地利用进入数据中心的电力，进一步推进可持续发展目标，并缩小AI领域的能源差距。
彼得·马修斯是Knowles Precision Devices的技术总监。
(以上内容均由Ai生成)
