AIサーバーアプリケーション向けピーク電力削減ソリューションの設計
はじめに
AIシステムの急速な発展により、AIサーバの電力要件は進化しています。AIトレーニングが開始されると、AIの電力需要は、GPUのアイドル状態の電力の10倍を超える電力が一気に必要となる可能性があります。これらの電力の急激な増加により、サーバーの電源装置 (PSU) で大きな突入電流が発生したり、PSUが過負荷になったりすることがあります。
ただし、ほとんどのAIトレーニング期間は比較的短時間であり、その後、GPUははるかに長い期間アイドル状態のままになります。そのため、こうした短い電力増加は、サーバー電源システムのピーク能力を超えることがありますが、平均電力要件を大幅に変化をもたらすことはありません。高出力PSUモジュールは、このピーク電力要件を満たしますが、コスト効率が低く、より多くのシェルフスペースを必要とします。
このことを念頭に置くと、新しいAIサーバーのPSUでは、PSUへのピーク電力の突入を抑えるための専用のピークシェービング回路を使用して需要に対応できます。この回路は、低電力GPUのアイドル状態の間はバス電力を保存し、GPUがトレーニングモードのときにバス電力を補います。本稿では、AIサーバー用のピークシェービング回路を構築する方法について説明します。
図1は、ピークシェービング回路の簡略化したシステムブロック図を示します。ピークシェービング回路は、通常、異なるGPU状態に従ってPSUバスから充電又はPSUバスに放電する双方向チャージャと、GPUがアイドル状態にある間にPSUからのエネルギーを貯蔵するスーパーキャパシタアレイと、各キャパシタセルの状態をモニタするアナログフロントエンド (AFE) と、AFE内のパッシブバランサーと比較した場合にスーパーキャパシタアレイに対してより速いバランシング速度を提供するオプションのアクティブバランサーから構成されます。
図1: ピークカット回路のブロック図
図2にピークカット回路の電力潮流例を示します。青色で示された正の電流は放電を意味し、黄色で示された負の電流は充電を意味します。トレーニングが開始されると、サーバー電源システムの負荷は重くなり、スーパーキャパシタはGPUのピーク電力要件を供給するために放電します。アイドル状態では、スーパーキャパシタは比較的低い電流で充電され、電源ユニットからの余剰エネルギーを蓄えます。
図2: ピークシェービング回路の電力の流れ
MP2769を使用した双方向充電ソリューション
充電および放電プロセス中、スーパーキャパシタの電圧は48Vのバス電圧よりも高くなる場合も低くなる場合もあります。スーパーキャパシタの充電と放電を処理するために、設計者はしばしば昇降圧型コンバータを必要とします。
MP2769は、60V対応、I2Cによる設定が可能な双方向昇降圧型充電コントローラです。このデバイスは、GPUの状態に応じて、48Vバスとピークシェービング回路内のスーパーキャパシタ間の昇降圧型コンバータを制御します。トレーニングが開始されると、MP2769はスーパーキャパシタを放電してバス負荷に電力を供給し、その後、GPUのアイドル状態ではスーパーキャパシタに電力を蓄えます。従来のDSPベースのソリューションと比較して、MP2769はスイッチングFETの外部ゲートドライバ、入出力電流検出回路、およびループ補償のためのDSPコーディングを必要としないため、設計作業の複雑さを軽減します。これらの特長により、MP2769はピークカットアプリケーションに最適な候補となります。
図3はMP2769の代表的なアプリケーション回路を示しており、スイッチングパワーFETはMP2769によって直接駆動されます。
図3: MP2769の代表的なアプリケーション回路
ピークカットアプリケーションでは、通常、アイドル時間はトレーニング時間よりもはるかに長くなります。これは、スーパーキャパシタは充電に十分な時間をかけることができる一方で、GPUに十分なピーク電力を供給するためには、比較的短時間で放電する必要があることを意味します。このプロセスを円滑に進めるため、設計者は通常、電力を放電する際には複数のモジュールを並列に接続する必要がありますが、電力を充電する際には1つのモジュールのみを使用する必要があります。下の図4にこのアーキテクチャを示します。
図4: ピークシェービング回路用の複数のMP2769接続
これらのモジュールがAIトレーニングの状態に応じて充電と放電を自動的に切り替えられるようにするには、充電モジュールの最小入力電圧しきい値 (VIN_MIN) を通常のバス電圧よりわずかに低く設定します。一方、放電モジュールの出力電圧 (VOUT) はVIN_MIN以下に設定します。 たとえば、バス電圧 (VBUS) が48Vの場合は、VIN_MINを47V、VOUTを46Vに設定します。
GPUがアイドル状態にあるときは、電源ユニットの負荷は軽くなります。VBUSは48Vなので、VBUS がVIN_MINを超えるため、充電モジュールはバスからスーパーキャパシタを充電します。放電モジュールは、VBUS がVOUTを超えている間、アイドル状態のままです。トレーニングが開始されると、電源ユニットの電力制限によりVBUS が低下し始めます。VBUSがVIN_MINを下回ると、充電モジュールは充電を停止します。VBUS がVOUTまで低下すると、放電モジュールがスイッチングを開始し、PSUと連携してGPUのピーク電力需要を供給します。図5はこのプロセスを示しています。
図5: 充電 / 放電遷移
MP2793を使用したスーパーキャパシタアレイのAFEソリューション
ピークシェービング回路におけるスーパーキャパシタアレイは、通常、複数のスーパーキャパシタを直列に接続して構成されます。スーパーキャパシタアレイが安全に動作することを保証するためには、アレイ内の各セルの状態をモニタすることが不可欠です。特に、長時間稼働後に各スーパーキャパシタ間の静電容量のばらつきによって、各セルの電圧バランスが崩れる可能性がある場合は、なおさらです。この問題を解決するには、各コンデンサの状態をモニタし、各セルの電圧バランスを調整するための専用のAFEが必要です。
MP2793は、スーパーキャパシタシステムで使用可能な、4セル～16セルのリチウムイオン電池向けのアナログフロントエンド (AFE) モニタリングおよび保護ソリューションです。本製品は、セル電圧、充放電電流、パック電圧、セル温度に対する完全なモニタリングおよび保護機能を提供し、スーパーキャパシタアレイがピークシェービング回路内で安全に動作することを保証します。また、長時間稼働後に各コンデンサセルの潜在的な不均衡問題を解決するために受動的なバランス調整も提供します。これにより
各コンデンサセルの電圧差は安全かつ許容幅内に収まっており、セルの不均衡によってコンデンサアレイ全体が故障するのを防ぎます。
MP2793は、ピークシェービング回路のスーパーキャパシタアレイにおけるAFEとして実装することができます。図6は、MP2793、スーパーキャパシタアレイ、およびMCUの接続を示しています。MP2793は、スーパーキャパシタの電圧、電流、温度情報をリアルタイムでMCUに報告し、直列接続された各セルのセル電圧をバランスさせ、致命的な故障 (短絡、過電圧または低電圧、コンデンサの過熱など) が発生した場合は保護FETを遮断することができます。
図6: MP2793スーパーキャパシタとMCUの接続
ピークシェービング回路におけるオプションのアクティブバランサー
ピークシェービングシステムにおけるスーパーキャパシタは、一般的なエネルギー貯蔵システム (ESS) よりもはるかに頻繁に充放電されるため、コンデンサのバランスが崩れると、これらのシステムへの影響ははるかに速くあらわれます。パッシブバランサーの場合、熱的な観点から、バランス電流は通常200mA以下に制限されます。このような状況では、従来の受動的なバランス調整方法では、各コンデンサセルの電圧をバランスさせるのに十分なバランス調整速度を提供できない可能性があります。この問題を解決するために、設計者はアクティブバランサーを実装して、コンデンサのバランスをより迅速に取ることができます。
MP2645は、5セル対応のスタック可能なアクティブバランサーであり、最大3.75Aのバランス電流に対応しています。最大8個のチップ (33個のセル) によるカスケード接続動作をサポートできます。パッシブバランサーと比較して、より高いバランス電流と優れた熱性能を提供できるため、より高速なバランス速度が求められるアプリケーションに適しています。
図7は、このアクティブバランサーを用いた提案するピークシェービング回路を示しています。
図7: ピークシェービングアプリケーション
MP2769とMP2793を用いたピークシェービング回路のプロトタイプ
図8は、MP2769とMP2793を使用したピークシェービングソリューションのプロトタイプを示しています。このソリューションは、3つのMP2769モジュール、MP2793 AFEボード、16セルのスーパーキャパシタアレイ、および冷却用ファンで構成されています。3つのMP2769モジュールのうち、1つは充電モードに設定され、残りの2つは放電モードに設定されています。VBUSがハイの場合、充電モジュール (MP2769-1) がスーパーキャパシタの充電に切り替わり、放電モジュール (MP2769-2およびMP2769-3) はアイドル状態になります。AIトレーニングが開始されると、VBUS が低下し、MP2769-1は充電を停止し、MP2769-2とMP2769-3はスーパーキャパシタの放電を開始してVBUSを供給します。
図8: ピークシェービング回路の試作機
図9は、このピークシェービング回路の充電と放電における遷移時の波形を示しています。表1は、各モジュールの設定を示しています。
表1: 充電および放電の遷移設定
| モジュール | モード | VIN_MIN | 充電電流 (ICC) | VOUT | 出力電流制限 (IOLIM) |
|---|---|---|---|---|---|
| MP2769-1 | 充電 | 47V | 5A | - | - |
| MP2769-2 | 放電 | - | - | 46V | 5A |
| MP2769-3 | 放電 | - | - | 46V | 5A |
図9に示すように、 トレーニング開始時にVBUSが低下すると (青色の領域で示される)、MP2769-1はスイッチングを停止し、MP2769-2およびMP2769-3はバス負荷を供給するためにスイッチングを開始します。GPUがアイドル状態 (黄色の領域で示される) に戻ると、VBUS が48Vに戻り、MP2769-2とMP2769-3はスイッチングを停止し、MP2769-1はスイッチングを開始してバス電力をスーパーキャパシタに蓄えます。
図9: ピークシェービング回路の充電と放電の遷移
結論
AIサーバーでAIトレーニングが始まると、GPUやPSUは短時間フルパワーで動作し、それ以外は軽負荷モードで動作します。さらに、AIトレーニング中に発生するピーク電力の急増は、電力グリッドへの大きな電力突入を引き起こす可能性があります。ピークシェービング回路は、AIサーバー電力システムへの電力流入を減らし、AIトレーニング開始時のピークGPU電力需要を満たすのに役立ちます。
本稿では、AIサーバーアプリケーションのためのピークシェービング回路の設計方法について述べました。この回路を設計する際、 MP2769 のような高集積双方向昇降圧型チャージャソリューションは、コンデンサの放電と充電が可能である一方、 MP2793 のようなバッテリーモニタとプロテクタは、モニタリング、保護、セルバランシングを提供し、スーパーキャパシタアレイが安全に動作することを保証します。最後に、オプションのアクティブバランサー (MP2645など) は、より速い平衡速度が必要な場合に、より高い平衡電流を提供できます。これらの部品は、一緒に作業するときにピークシェービングソリューションを構築するのに適しています。MPSの チャージャ、 バッテリーモニタと保護、 アクティブバランサーをご覧ください。あらゆるアプリケーション向けのバッテリーマネジメントソリューションの詳細を知ることができます。
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