Interruzioni di potenza transitorie a livello di millisecondi nelle BBU dei rack dei server AI: perché è più adatto un "supercondensatore ibrido (LIC) + BBU"?

I rack dei server AI subiscono picchi di potenza e cali di tensione del bus CC nell'ordine dei millisecondi (in genere da 1 a 50 ms) durante la rapida commutazione tra carichi di training e di inferenza. NVIDIA, nel suo progetto di rack di alimentazione GB300 NVL72, afferma che il suo rack di alimentazione integra componenti di accumulo di energia e funziona con un controller per ottenere un rapido livellamento della potenza transitoria a livello di rack (vedere il riferimento [1]).

Nella pratica ingegneristica, l'utilizzo di un "supercondensatore ibrido (LIC) + BBU (Battery Backup Unit)" per formare uno strato tampone nelle vicinanze può disaccoppiare la "risposta transitoria" e la "potenza di backup a breve termine": il LIC è responsabile della compensazione a livello di millisecondi, mentre la BBU è responsabile della ripresa a livello di secondi-minuti. Questo articolo fornisce un approccio di selezione riproducibile per gli ingegneri, un elenco di indicatori chiave e elementi di verifica. Prendendo come esempio il modello YMIN SLF 4.0V 4500F (ESR a unità singola ≤0.8mΩ, corrente di scarica continua 200A, i parametri devono fare riferimento alla scheda tecnica [3]), fornisce suggerimenti di configurazione e supporto per dati comparativi.

Gli alimentatori BBU per rack stanno spostando il “livellamento della potenza transitoria” più vicino al carico.

Quando il consumo energetico di un singolo rack raggiunge il livello di centinaia di kilowatt, i carichi di lavoro di intelligenza artificiale possono causare picchi di corrente in breve tempo. Se la caduta di tensione del bus supera la soglia di sistema, potrebbe attivare la protezione della scheda madre, errori della GPU o riavvii. Per ridurre l'impatto dei picchi sull'alimentazione a monte e sulla rete, alcune architetture stanno introducendo strategie di buffering e controllo dell'energia all'interno del rack di alimentazione, consentendo ai picchi di potenza di essere "assorbiti e rilasciati localmente" all'interno del rack. Il messaggio principale di questa progettazione è: i problemi transitori dovrebbero essere affrontati prima nella posizione più vicina al carico.

Nei server dotati di GPU ad altissima potenza (a livello di kilowatt) come NVIDIA GB200/GB300, la sfida principale dei sistemi di alimentazione si è spostata dall'alimentazione di backup tradizionale alla gestione di sovratensioni transitorie a livello di millisecondi e centinaia di kilowatt. Le tradizionali soluzioni di alimentazione di backup BBU, basate su batterie al piombo-acido, soffrono di colli di bottiglia nella velocità di risposta e nella densità di potenza a causa di ritardi intrinseci nelle reazioni chimiche, elevata resistenza interna e limitate capacità di accettazione dinamica della carica. Questi colli di bottiglia sono diventati fattori chiave che limitano il miglioramento della potenza di elaborazione a rack singolo e dell'affidabilità del sistema.

Tabella 1: Diagramma schematico della posizione della modalità di accumulo di energia ibrida a tre livelli nel rack BBU (diagramma della tabella)

Evoluzione dell'architettura

Da “Batteria di backup” a “Modalità di accumulo di energia ibrida a tre livelli”

Le BBU tradizionali si basano principalmente sulle batterie per l'accumulo di energia. Di fronte a carenze di potenza nell'ordine dei millisecondi, le batterie, limitate dalla cinetica delle reazioni chimiche e da una resistenza interna equivalente, spesso rispondono meno rapidamente rispetto all'accumulo di energia basato su condensatori. Pertanto, le soluzioni lato rack hanno iniziato ad adottare una strategia a più livelli: "LIC (transitorio) + BBU (breve) + UPS/HVDC (lungo)":

LIC collegato in parallelo vicino al bus CC: gestisce la compensazione della potenza a livello di millisecondi e il supporto della tensione (carica e scarica ad alta velocità).

BBU (batteria o altro sistema di accumulo di energia): gestisce il controllo in tempi da pochi secondi a un minuto (sistema progettato per una durata di backup).

UPS/HVDC a livello di data center: gestisce l'alimentazione elettrica ininterrotta a lungo termine e la regolazione lato rete.

Questa divisione del lavoro separa le “variabili veloci” dalle “variabili lente”: stabilizzando il bus e riducendo al contempo lo stress a lungo termine e la pressione di manutenzione sulle unità di accumulo di energia.

Analisi approfondita: perché YMINSupercondensatori ibridi?

Il supercondensatore ibrido LIC (Lithium-ion Capacitor) di ymin combina strutturalmente le caratteristiche di elevata potenza dei condensatori con l'elevata densità energetica di un sistema elettrochimico. In scenari di compensazione transitoria, la chiave per resistere al carico è: fornire l'energia richiesta entro il Δt target e fornire una corrente impulsiva sufficientemente elevata entro l'intervallo di aumento di temperatura e caduta di tensione consentiti.

Elevata potenza in uscita: quando il carico della GPU cambia bruscamente o la rete elettrica fluttua, le batterie al piombo tradizionali, a causa della loro lenta velocità di reazione chimica e dell'elevata resistenza interna, subiscono un rapido deterioramento della loro capacità di accettazione dinamica della carica, con conseguente incapacità di risposta in millisecondi. Il supercondensatore ibrido può completare la compensazione istantanea entro 1-50 ms, seguita da un'alimentazione di backup di livello minuto dall'alimentatore di backup BBU, garantendo una tensione del bus stabile e riducendo significativamente il rischio di crash della scheda madre e della GPU.

Ottimizzazione di volume e peso: confrontando "energia disponibile equivalente (determinata dalla finestra di tensione V_hi→V_lo) + finestra transitoria equivalente (Δt)", la soluzione con strato tampone LIC riduce in genere significativamente volume e peso rispetto al backup a batteria tradizionale (riduzione di volume di circa il 50%–70%, riduzione di peso di circa il 50%–60%, i valori tipici non sono disponibili al pubblico e richiedono la verifica del progetto), liberando spazio nel rack e risorse di flusso d'aria. (La percentuale specifica dipende dalle specifiche, dai componenti strutturali e dalle soluzioni di dissipazione del calore dell'oggetto di confronto; si consiglia una verifica specifica del progetto.)

Miglioramento della velocità di ricarica: la tecnologia LIC offre capacità di carica e scarica ad alta velocità e la sua velocità di ricarica è in genere superiore a quella delle soluzioni a batteria (miglioramento della velocità di oltre 5 volte, raggiungendo una ricarica rapida di quasi dieci minuti; fonte: supercondensatore ibrido rispetto ai valori tipici delle batterie al piombo-acido). Il tempo di ricarica è determinato dal margine di potenza del sistema, dalla strategia di carica e dal design termico. Si consiglia di utilizzare il "tempo necessario per ricaricare a V_hi" come parametro di accettazione, combinato con la valutazione dell'aumento di temperatura a impulsi ripetuti.

Lunga durata del ciclo: le batterie al piombo-acido (LIC) presentano in genere una maggiore durata del ciclo e minori requisiti di manutenzione in condizioni di carica e scarica ad alta frequenza (1 milione di cicli, oltre 6 anni di durata, circa 200 volte superiore rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido; fonte: confronto tra supercondensatori ibridi e batterie al piombo-acido tipiche). I limiti di durata del ciclo e di aumento della temperatura sono soggetti a specifiche e condizioni di prova specifiche. Dal punto di vista dell'intero ciclo di vita, ciò contribuisce a ridurre i costi di esercizio, manutenzione e guasti.

Figura 2: Schema del sistema di accumulo di energia ibrido:

Batteria agli ioni di litio (livello di secondi minuti) + condensatore agli ioni di litio LIC (tampone di livello di millisecondi)

Basato sul design di riferimento giapponese Musashi CCP3300SC (3,8 V 3000 F) del NVIDIA GB300, vanta una maggiore densità di capacità, una tensione più elevata e una maggiore capacità nelle sue specifiche disponibili al pubblico: una tensione operativa di 4,0 V e una capacità di 4500 F, che si traducono in un maggiore accumulo di energia a cella singola e capacità di buffering più potenti all'interno delle stesse dimensioni del modulo, garantendo una risposta senza compromessi a livello di millisecondi.

Parametri chiave dei supercondensatori ibridi della serie YMIN SLF:

Tensione nominale: 4,0 V; Capacità nominale: 4500 F

Resistenza interna CC/ESR: ≤0,8 mΩ

Corrente di scarica continua: 200 A

Intervallo di tensione di funzionamento: 4,0–2,5 V

Utilizzando la soluzione buffer locale BBU ibrida basata su supercondensatore di YMIN, è possibile fornire un'elevata compensazione di corrente al bus DC entro un intervallo di millisecondi, migliorando la stabilità della tensione del bus. Rispetto ad altre soluzioni con la stessa energia disponibile e la stessa finestra transitoria, il buffer riduce in genere l'occupazione di spazio e libera risorse del rack. È inoltre più adatto per requisiti di carica e scarica ad alta frequenza e di ripristino rapido, riducendo la pressione di manutenzione. Le prestazioni specifiche devono essere verificate in base alle specifiche di progetto.

Guida alla selezione: abbinamento preciso allo scenario

Di fronte alle sfide estreme della potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale, l'innovazione nei sistemi di alimentazione è fondamentale.Supercondensatore ibrido SLF 4.0V 4500F di YMIN, con la sua solida tecnologia proprietaria, fornisce una soluzione buffer layer BBU ad alte prestazioni e altamente affidabile prodotta a livello nazionale, fornendo un supporto fondamentale per l'evoluzione continua stabile, efficiente e intensiva dei data center AI.

Se hai bisogno di informazioni tecniche dettagliate, possiamo fornirti: schede tecniche, dati di prova, tabelle di selezione delle applicazioni, campioni, ecc. Ti preghiamo inoltre di fornirci informazioni chiave come: tensione del bus, ΔP/Δt, dimensioni dello spazio, temperatura ambiente e specifiche di durata, in modo da poterti fornire rapidamente consigli sulla configurazione.

Sezione Q&A

D: Il carico della GPU di un server AI può aumentare del 150% in pochi millisecondi, e le tradizionali batterie al piombo-acido non riescono a tenere il passo. Qual è il tempo di risposta specifico dei supercondensatori agli ioni di litio YMIN e come si ottiene questo rapido supporto?

R: I supercondensatori ibridi YMIN (SLF 4.0V 4500F) si basano su principi di accumulo fisico di energia e hanno una resistenza interna estremamente bassa (≤0.8mΩ), consentendo una scarica istantanea ad alta velocità nell'intervallo 1-50 millisecondi. Quando una variazione improvvisa del carico della GPU causa un brusco calo della tensione del bus DC, può rilasciare un'elevata corrente quasi senza ritardo, compensando direttamente la potenza del bus, guadagnando così tempo affinché l'alimentatore della BBU di back-end si riattivi e prenda il controllo, garantendo una transizione di tensione fluida ed evitando errori di calcolo o crash hardware causati da cadute di tensione.

Riepilogo alla fine di questo articolo

Scenari applicabili: adatto per BBU (unità di alimentazione di backup) a livello di rack di server AI in scenari in cui il bus CC è soggetto a sovratensioni transitorie/cadute di tensione di livello millisecondo; applicabile a un'architettura buffer locale "supercondensatore ibrido + BBU" per la stabilizzazione della tensione del bus e la compensazione dei transitori in caso di interruzioni di corrente a breve termine, fluttuazioni della rete e improvvisi cambiamenti di carico della GPU.

Vantaggi principali: risposta rapida nell'ordine dei millisecondi (compensazione di finestre transitorie da 1 a 50 ms); bassa resistenza interna/capacità di corrente elevata, che migliora la stabilità della tensione del bus e riduce il rischio di riavvii imprevisti; supporta carica e scarica ad alta velocità e ricarica rapida, riducendo i tempi di ripristino dell'alimentazione di backup; più adatto a condizioni di carica e scarica ad alta frequenza rispetto alle soluzioni di batterie tradizionali, contribuendo a ridurre la pressione di manutenzione e i costi totali del ciclo di vita.

Modello consigliato: supercondensatore ibrido quadrato YMIN SLF 4,0 V 4500 F

Acquisizione dati (specifiche/rapporti di prova/campioni):

Sito ufficiale: www.ymin.com
Numero verde tecnico: 021-33617848

Riferimenti (fonti pubbliche)

[1] Blog ufficiale di informazioni pubbliche/tecniche NVIDIA: Introduzione al rack GB300 NVL72 (Power Shelf) per lo smoothing transitorio/accumulo di energia

[2] Rapporti pubblici da media/istituzioni come TrendForce: applicazioni LIC correlate a GB200/GB300 e informazioni sulla catena di fornitura

[3] Shanghai YMIN Electronics fornisce le “Specifiche del supercondensatore ibrido SLF 4.0V 4500F”