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データセンターの48V電源移行に伴う効率の最適化

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Panasonicのコンポーネントが信頼性の高い48VDCインフラストラクチャでGenAIデータセンターを支える

(出典: IM Imagery/stock.adobe.com)

生成AI（GenAI）は定着しつつあり、データセンターの消費電力をかつてないほど押し上げています。[1]データセンターの運用コストはすでに電気料金に大きく左右されていましたが、[2]この消費電力の急増は、データセンターの電力管理におけるエネルギー効率の重要性を高める結果となりました。

データセンターが運用コストを上回る収益源を確保しようとする中で、継続的なシステムの稼働時間はかつてないほど重要になっています。電力システムは、この問題の核心にあります。

これほど高いレベルの効率と信頼性を備えたデータセンターの電力システムを設計する際には、どのようなハードルが生じるのでしょうか。本ブログでは、GenAIの時代を迎えるにあたり、いくつかの主要な課題の概要を説明し、潜在的な解決策を提示します。

電源供給の信頼性を確保する

電力システムの重要性は、いくら強調してもしすぎることはありません。データシステムのダウンタイムの実に52パーセントが、電力システムの停止に起因しています。[3]これらの障害の一般的な理由は、処理需要の急激なスパイクにより、ハードウェアクラスターが供給可能な電力を超える電力を引き出してしまうことです。電流の引き込みが増加するにつれて供給電圧が意図せず低下し、プロセッサがシャットダウンを引き起こします。GenAIの処理リクエストが非常に頻繁に発生するため、電源供給の問題が検出される前にシステムが過負荷状態になる可能性があります。

これらのドロップアウトを防ぐ鍵は、プロセッサへの電源供給を安定させることです。これは、AI対応データセンターの新しい標準である48VDC電源の各段階に適したコンデンサを使用することで実現できます。[4]図1に示すように、Panasonicは、この業界主導のシフトをサポートする、高信頼性かつ高温対応のポリマーコンデンサの複数のファミリーを提供しています。

図1: PanasonicのOS-CON、POSCAP、SP-Cap、およびEEH-ZLコンデンサによってサポートされるデータセンター電力システムの図。（出典: Panasonic）

なぜ48Vが新しい標準なのか

導体における抵抗損失は電流の2乗に比例しますが、現代のデータセンターでは処理需要を満たすためにますます高い電流が求められています。12Vバスから48Vバスへ移行することで、同じ電力に対する供給電流を4分の1に削減できます。電流が低くなることで抵抗損失は約16分の1に減少し、より高出力なシステムの効率が向上します。

48V標準を採用することで、12Vに関連するダウンコンバージョンの後半段階を排除でき、変換損失を低減して効率を改善できます。また、この電力回路を削減することでコンピューティングインフラストラクチャのためのスペースが広がり、設計者はサーバーラックの密度を高めることが可能になります。

このより効率的な電力供給方法への移行は、AI、エッジコンピューティング、ハイパースケールデータセンターなどのアプリケーションにとって非常に重要です。ある予測では、AIによって電力需要は2030年までに約945テラワット時（TWh）に達し、[5]現在の数値の2倍以上になるとされています。これらは、データセンター事業者が提供するサービスの価値を最大化するために、ワットあたりの処理性能を可能な限り高めなければならない理由のほんの一例に過ぎません。

48Vシステムにおけるポリマーコンデンサの役割

システムの稼働時間を維持するには、信頼性の高い電源供給が不可欠です。データセンターの処理コンポーネントに安定した電流を供給し続けるには、コンデンサが必要です。処理タスクによって引き起こされる急激な需要のスパイクは、電源が過負荷状態になることで電圧降下を招く可能性があります。供給電圧が許容範囲から逸脱すると、プロセッサはシャットダウンします。[6]

48V DC/DCコンバータで使用される場合でも、電圧レギュレータモジュール（VRM）で使用される場合でも、ポリマーコンデンサはデータセンター環境において従来の電解コンデンサよりも優れた利点を持っています。

  • 低い等価直列抵抗（ESR）は電力損失と発熱を低減し、変換効率を高めると同時に、熱管理の要件を緩和します。
  • 温度や周波数に対して安定した静電容量は、予測不可能な環境下でも予測可能なパフォーマンスを提供します。一例として、新しいタスクが発生し、その結果として電力需要が、周囲のワークロードに基づいて異なる温度にあるシステムへ迅速に振り分けられる場合などが挙げられます。
  • 高いリップル電流下での長寿命と信頼性は、より堅牢なDC/DC変換をサポートします。これにより、電力変動時のVRMや後段コンポーネントの損傷を防ぎます。

Panasonicのポリマーコンデンサ：データセンターなどに最適

Panasonic SP-Cap™高分子アルミ固体電解コンデンサは、主にDC/DCコンバータの入力および出力コンデンサとして使用されています。SP-Capコンデンサは、積層アルミニウム設計において電解質材料として導電性高分子を使用しています。超低ESR値と高いリフロー温度に耐える能力を備えたSP-Capコンデンサは、データセンターへの導入に最適です。

高出力プロセッサに近いDC/DC変換およびVRMにおいて、SP-Capコンデンサは、絶えず変動する負荷の下で高い性能と信頼性を提供します。また、図2に示す薄型の表面実装パッケージは、静電容量のニーズを満たすために必要な部品数が少なくなるため、基板スペースを節約します。

図2: Panasonic SP-Cap高分子アルミ固体電解コンデンサは、変動する負荷の下で高い信頼性を提供し、48Vデータセンター内の処理デバイスへの安定した電力供給を確実にします。また、低ESRが効率的な電力変換をサポートします。（出典：マウザー・エレクトロニクス）

SP-Capシリーズは、高信頼性、超低ESR、薄型など、特定の性能要件を満たすサブファミリーに分けることができます。このシリーズはデータセンターに適しているだけでなく、産業機器、ドローン、通信インフラなどのアプリケーションもサポートしています。

SP-Capシリーズは、さまざまなモデルを通じて以下を提供します。

  • 3mΩまでの超低ESR
  • -55°C～+135°Cの動作オプション（+135°Cで5500時間の耐久性）
  • 1mmまでの薄型設計
  • 最大10.2Armsの高リプル電流耐性
  • 2VDC～35VDCの電圧範囲
  • 10μF～820μFの静電容量

実際の環境におけるPanasonic SP-Capの使用

SP-Capデバイスは、その優れた仕様により、いくつかの主要市場において明確な設計上の利点を提供します。これらの仕様は、いくつかの注目すべき用途において設計者に役立ちます。

  • AIサーバー: SP-Capの大容量と変動負荷下での信頼性は、オンデマンド処理によって追加の電流による性能の急激な向上を必要とする用途において、CPU、GPU、およびAIハードウェアアクセラレータへの安定した電力供給をサポートします。
  • エッジコンピューティング: SP-Capデバイスのコンパクトな性質は、データがソースの近くで処理される、スペースやリソースが制限された設計において、信頼性の高い電力をサポートします。堅牢な熱性能は、熱効率が不可欠となるファンレスコンピューティングシステムの構築にも役立ちます。
  • 5G基地局: SP-Capシリーズの重要な特徴である高い信頼性により、これらのコンデンサは、信頼性の高い通信のために包括的なネットワークカバレッジを提供することが不可欠な、過酷な環境下での導入に適しています。

現代のデータセンターに電力を供給するための信頼できる道筋

データセンターが生成AIのような現代のアプリケーションをサポートするために48V電源を採用する中、高分子コンデンサは、これらの熱的に厳しい環境において、信頼性が高く効率的な電力供給を確実にします。PanasonicはSP-Capシリーズにより、低ESR、高容量のソリューションを小型フォームファクタで提供し、効率と処理密度を同時に向上させ、データセンターの運用コストを相殺するためのより大きな収益の可能性を実現します。48V電力パイプライン全体のソリューションとして、PanasonicのOS-CON™およびPOSCAP™シリーズは、電力変換の各段階における特定の要件を満たすための多様な高分子コンデンサの選択肢を提供します。

 

出典

[1]https://www.statista.com/topics/13055/data-center-power/#topicOverview
[2]https://www.powermag.com/five-things-to-know-about-power-supply-to-data-centers/
[3]https://datacenter.uptimeinstitute.com/rs/711-RIA-145/images/2024.Resiliency.Survey.ExecSum.pdf
[4]https://wawt.tech/2024/10/01/datacenters-find-48v-power-architecture-more-relevant/
[5]https://www.iea.org/news/ai-is-set-to-drive-surging-electricity-demand-from-data-centres-while-offering-the-potential-to-transform-how-the-energy-sector-works
[6]https://na.industrial.panasonic.com/blog/harnessing-generative-ai-key-innovations-and-power-polymer-capacitors

 

著者

Brandon LewisBrandon Lewis氏は、10年以上にわたりディープテック分野のジャーナリスト、ストーリーテラー、テクニカルライターとして、ソフトウェアスタートアップから半導体大手まで、その間にあるあらゆる分野を取材してきました。彼の専門分野は、電子システム統合、IoT/インダストリー4.0の導入、エッジAIのユースケースに関連する組み込みプロセッサ、ハードウェア、ソフトウェア、ツールなど多岐にわたります。また、ポッドキャスター、YouTuber、イベント司会者、カンファレンスプレゼンターとしても活躍しており、さまざまな電子工学専門誌で編集長や技術編集者を歴任してきました。
B2Bテック分野の聴衆を鼓舞していないときは、フェニックス地域のスポーツチームのコーチを務めています。