Перспективные системы искусственного интеллекта требуют большей мощности

Интеллектуальное цифровое управление в сочетании с высокопроизводительными каскадами электропитания решают задачи по увеличению плотности мощности, что в первую очередь необходимо для процессоров с новой архитектурой. Например, это мультифазные цифровые контроллеры и силовые каскады серии OptiMOS производства Infineon
491
В избранное

infin.png (829 b)Интеллектуальное цифровое управление в сочетании с высокопроизводительными каскадами электропитания решают задачи по увеличению плотности мощности, что в первую очередь необходимо для процессоров с новой архитектурой. Например, это мультифазные цифровые контроллеры и силовые каскады серии OptiMOS производства Infineon.

Люди приобретают опыт и знания благодаря длительному обучению и многолетнему сбору и анализу информации. Компьютеры с этой точки зрения также кажутся интеллектуальными благодаря возможности сохранять и накапливать информацию (рисунок 1). Но до недавнего времени для того чтобы выполнять какие-либо задачи или принимать решения, им не хватало способности автономно обучаться. В то время, как человеческий мозг потребляет энергию мощностью 20…30 Вт, обучаемые системы искусственного интеллекта последнего поколения потребляют столько энергии, сколько было бы достаточно для обеспечения небольшого городка. Требования по обеспечению энергией суперкомпьютеров нового поколения стали намного жестче.

Технологии глубокого обучения строят искусственный интеллект на основе обучающих алгоритмов

Рис. 1. Технологии глубокого обучения строят искусственный интеллект на основе обучающих алгоритмов

Высокое потребление энергии сегодняшних систем искусственного интеллекта является основной предпосылкой к изменению типов процессоров и соответствующих компьютерных архитектур с целью снижения уровня потребляемой ими мощности. Традиционные центральные процессорные устройства (ЦПУ) разрабатываются достаточно гибкими, чтобы поддерживать множество различных программ. Однако обучение системы искусственного интеллекта подразумевает многократное исполнение  рутинных задач. Большинство функций искусственного интеллекта может быть выполнено с помощью графических процессорных устройств (ГПУ), которые разрабатывались для эффективного исполнения сложных математических функций. Для увеличения вычислительной мощности эти ГПУ можно использовать параллельно. Обработка информации современными ГПУ происходит существенно быстрее, чем ЦПУ, при практически той же потребляемой мощности. На раннем этапе развития искусственного интеллекта на рынке доминировала компания NVIDIA. Их суперкомпьютер DX1 на базе графических процессоров включал в себя 8 ГПУ Tesla P100, каждый из которых обладал вычислительной мощностью 21,2 ТФлопс и требовал для работы 3200 Вт мощности. Суперкомпьютеры DX1 при параллельной работе образовывали эффективную нейронную сеть. На смену ГПУ пришли тензорные процессоры – специализированные микросхемы, которые разрабатывались для систем искусственного интеллекта. Они основаны на графических процессорах, при этом обладают пониженной точностью при выполнении операций с плавающей точкой, уменьшенной растеризацией и преобразованием данных, что позволяет повысить производительность компьютера.

Способность воспринимать является основной в процессе обучения. Подсоединенные к центральному серверу искусственного интеллекта маломощные датчики являются «глазами», «ушами» и «руками» нейросети. Специалисты предсказывают, что количество подключенных к сети датчиков к 2020 году превысит 50 млрд. шт.

Cистемы искусственного интеллекта бросают вызов разработчикам

Исследователи пришли к заключению, что для того, чтобы система искусственного интеллекта хотя бы приблизилась к вычислительной мощности человеческого мозга, она должна выполнять примерно 40 тысяч триллионов операций в секунду (или 40 Петафлопс). Типовая серверная ферма с таким уровнем вычислительной мощности потребовала бы приблизительно 1800 графических процессоров NVIDIA DX1, потребляя примерно 6 МВт. Человеческий мозг, выполняя аналогичные по вычислительной мощности задачи, потребляет всего лишь 20 Вт. Передача столь высокой мощности и управление ею является достаточно серьезной задачей (рисунок 2). В наши дни первостепенным является повышение КПД, так как стоимость электроэнергии постоянно растет. Помимо этого, каждый ватт рассеиваемой энергии требует больше воздуха для теплообмена в центре обработки данных, что приводит к увеличению занимаемых площадей и росту операционных расходов. Так как центры обработки данных могут содержать тысячи процессоров, то размер для них действительно имеет большое значение. К тому же, уменьшение размеров решения резко увеличивает требования к плотности мощности силового оборудования, когда при сокращающейся свободной площади требуется рассеять аналогичную мощность тепловых потерь. Поэтому управление тепловым режимом является одной из наиболее критичных задач при разработке систем электропитания для нового поколения систем искусственного интеллекта и суперкомпьютеров. Компьютерные системы – это не статическая нагрузка. В процессе реализации алгоритма обучения они могут потреблять полную мощность, но потом их потребляемая мощность может резко упасть в соответствии с загруженностью процессора. Современные стандарты электропитания требуют, чтобы КПД систем оставался высоким во всем диапазоне нагрузок.

Современные центры обработки данных (ЦОД) требуют усовершенствованных систем электропитания

Рис. 2. Современные центры обработки данных (ЦОД) требуют усовершенствованных систем электропитания

Сравнение цифрового и аналогового управления

Очевидно, что уровень развития систем электропитания будет расти, и компания Infineon, следуя этой тенденции, представила решения с усовершенствованными цифровыми способами управления, замещающие собой устаревшие аналоговые (рисунок 3). Цифровое управление увеличивает общую гибкость системы, что особенно важно при разработке high-end-силовых решений. Цифровой подход позволяет реализовывать проекты, отвечающие требованиям конкретного заказчика, без существенных материальных и временных затрат, а также упрощает разработку и построение масштабируемых систем электропитания для искусственного интеллекта. И даже с учетом всей указанной выше функциональности цифровые решения сегодня являются сравнимыми по цене с реализацией на базе аналоговой элементной базы.

Линейка DC/DC-преобразователей компании Infineon для систем искусственного интеллекта

Рис. 3. Линейка DC/DC-преобразователей компании Infineon для систем искусственного интеллекта

Мультифазные цифровые контроллеры с несколькими выходами

Основное, что предлагает Infineon для систем искусственного интеллекта – это семейство многофазных цифровых контроллеров с несколькими выходами (рисунок 4). Эти усовершенствованные контроллеры полностью совместимы с требованиями процессоров Intel® и AMD®, которые включают в себя поддержку PMBUS и функцию AVS (Adaptive Voltage Scaling) для управления рабочей точкой напряжения и системной телеметрии. Решения Infineon могут быть запрограммированы для обеспечения одной, двух или трех полностью цифровых шин напряжения, работающих в многофазном режиме. Есть возможность автономно запрограммировать систему на увеличение или уменьшение фазности, если это будет влиять на конечную эффективность в широком диапазоне нагрузок. Программируемая цифровым способом шина выходного напряжения позволяет обойтись без внешних компонентов обратной связи. Компенсация цифрового встроенного ПИД-регулятора, как и температурная компенсация, могут быть запрограммированы пользователем. Цифровое программирование позволяет реализовывать нелинейные алгоритмы управления и обеспечивает оптимальную работу при переходных нагрузках с уменьшенным количеством выходных конденсаторов. Большинство контроллеров Infineon также поддерживает поцикловое программирование ограничения тока одной фазы для обеспечения отличного динамического разделения токов между фазами. Данные устройства легко программируются с помощью графического интерфейса пользователя (GUI). Настройки параметров могут быть сохранены в интегрированной памяти NVRAM. Контроллеры Infineon имеют функцию определения ошибок и неисправностей, а также встроенные защиты: от пониженного входного напряжения (IUVP), от повышенного входного напряжения (IOVP), от катастрофических отказов (CFP), от превышения и просадки выходного напряжения. Защита от превышения тока обеспечивается как для мгновенного значения тока, так и для среднего значения. У этих изделий также есть многоступенчатая защита от превышения температуры с настаиваемыми порогами.

Типовой размер и трассировка платы для 10-фазного регулятора напряжения с силовым каскадом TDA21472

Рис. 4. Типовой размер и трассировка платы для 10-фазного регулятора напряжения с силовым каскадом TDA21472

Силовой каскад OptiMOS

Специально для систем искусственного интеллекта компания Infineon разработала серию силовых каскадов с высоким КПД и большой выходной мощностью. Силовой каскад содержит встроенные в корпус драйвер управления синхронным понижающим преобразователем с низким током покоя, два MOSFET – верхнего и нижнего плеча, – и встроенный диод Шоттки. Корпус оптимизирован по теплоотводу, таймингу сигналов управления транзисторами и минимальному звону в средней точке полумоста при соблюдении рекомендаций по трассировке. Комбинация двух MOSFET и драйвера позволяет получить высокий КПД и работать с малыми напряжениями, которые требуются для центральных процессоров, графических процессоров и DDR-памяти последних поколений. Микросхема TDA21472 – это силовой каскад с выходным средним током до 70 А, который имеет встроенные алгоритмы измерения тока с температурной компенсацией, обладающие высокой точностью измерения через активное сопротивление (DCR) индуктора.

Комплексная защита включает в себя потактовую защиту от превышения по току с программируемым порогом, защиту от пониженного напряжения VCC/VDRV, сообщение о температуре кристалла, выключение при перегреве. Силовой каскад также имеет функцию глубокого сна для режима экономии энергии, который существенно уменьшает собственное потребление, когда мультифазный режим работы отключен. Работа на частоте коммутации до 1,5 МГц обеспечивает быструю отработку импульсной нагрузки, малый размер выходных индуктивностей, входных и выходных конденсаторов, а также самый высокий КПД среди аналогичных решений. Силовые каскады IR3575, IR3578 и IR3579 содержат специальную функцию Body-Braking™, которая через третье состояние выхода ШИМ позволяет выбрать меньшее значение выходной емкости. Эта функция быстро выключает оба транзистора MOSFET для того чтобы обеспечить либо выход с большим сопротивлением, либо уменьшение значения выброса напряжения при переходном процессе. Данный силовой каскад оптимизирован для питания ядер процессоров и памяти в серверных применениях.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IR3553MTRPBF
IR3553MTRPBF
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 889298 PDF
Доступно: 253 шт.
Выбрать
условия
поставки
PowlRstage - Integrated Power Stage, ПреимуществаPeak efficiency up to 93.2% at 1.2VIntegrated driver, control MOSFET, synchronous MOSF…
IR3553MTRPBF от 2 шт. от 798,29
253 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IR3575MTRPBF
IR3575MTRPBF
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1270998 ИНФО PDF
Доступно: 156 шт.
Выбрать
условия
поставки
PowlRstage - Integrated Power Stage, Преимущества Peak efficiency up to 95% at 1.2V Integrated driver, control MOSFET, synchr…
IR3575MTRPBF от 2 шт. от 1299,57
156 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IR3555MTRPBF
IR3555MTRPBF
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1494342 PDF
Доступно: 378 шт.
Выбрать
условия
поставки
PowlRstage - Integrated Power Stage, ПреимуществаIntegrated driver, Schottky diode, control MOSFET and synchronous MOSFET5mV / A on-chi…
IR3555MTRPBF от 3 шт. от 535,85
378 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IR3579MTRPBF
IR3579MTRPBF
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1494347 PDF
Доступно: 263 шт.
Выбрать
условия
поставки
PowlRstage - Integrated Power Stage, ПреимуществаIntegrated driver, Schottky diode, control MOSFET and synchronous MOSFET5mV / A on-chi…
IR3579MTRPBF от 2 шт. от 766,41
263 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TDA21240AUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2287030
Доступно: 302 шт.
Выбрать
условия
поставки
TDA21240AUMA1 от 3 шт. от 666,93
302 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()