« Cloud computing » est devenu un terme familier dont l'importance et l'influence sur le marché des technologies ne cessent de croître

En termes simples, le terme « Cloud » désigne tout service proposé en ligne par Internet. Le concept de Cloud computing consiste à créer une infrastructure omniprésente pour permettre un accès rapide et évolutif aux données et aux informations.

Figure 1 : Schéma de principe de liaison entre le secteur et le fond de panier du serveur

Si la plupart des gens définissent et envisagent le Cloud comme un vaste réseau public, il existe également des services cloud privés proposant des réseaux propriétaires sécurisés, avec un accès et des autorisations limités. La plupart des consommateurs interagissent avec le Cloud par le biais d'un accès frontal (front end). Le frontal du Cloud comprend les logiciels, les applications, les interfaces graphiques et le stockage. Pour prendre en charge les nombreuses options d'interfaces utilisateur frontales, le Cloud nécessite une infrastructure dorsale importante, comprenant des alimentations électriques, des serveurs, des systèmes de stockage de données et des ordinateurs. Avec les demandes sans cesse croissantes de services Cloud frontaux, les systèmes dorsaux doivent aussi être évolutifs et capables d'expansion.

Le marché mondial des centres de données devrait connaître une croissance de 6,4% par an, passant ainsi de 19,1 milliards de dollars en 2020, à 26,1 milliards de dollars en 2025.1. La croissance de l'informatique Cloud s'accompagne d'une demande accrue de puissance de traitement. L'estimation de l'énergie consommée dans le monde par les centres de données en 2018 était de 205 TWh, soit 205 000 000 000 000 Wh2. Une telle demande énergétique pousse à donner la priorité au rendement et à la fiabilité.

Conversion d'énergie dans le Cloud
La plupart des racks de centres de données sont alimentés par une alimentation ininterruptible (UPS) 220 V, avec des puissances approchant les 100 kW par rack. Étant donné que la plupart des processeurs centraux ont une tension nominale inférieure à 2 V, les tensions élevées doivent être converties et distribuées. En outre, plus la puissance nominale est élevée, plus des quantités de courant significatives doivent être déviées avec un rendement maximal, afin de minimiser les pertes de puissance et l’échauffement. La plupart des racks de serveurs disposent d'une alimentation 48 V pour le fond de panier. Il s'agit de l'alimentation principale de chaque serveur du rack, également appelé lame de serveur. Le 48 V a historiquement été l'alimentation standard des infrastructures de télécommunication et de réseau. La raison du choix du 48 V est que l'on considère généralement que c'est la tension la plus élevée qui ne soit pas dangereuse pour les humains. En général, les équipements nécessitant des niveaux de tension supérieurs à 48 V doivent être doublement isolés et répondre à des exigences de sécurité supplémentaires strictes. En outre, la conversion au-dessus de 48 V nécessite une mise à la terre pour protéger les équipements ainsi que les personnes qui les utilisent.

48 V contre 12 V
Il y a eu beaucoup de discussions et d'expérimentations autour de l'alimentation des serveurs en 48 V. Classiquement, l'alimentation interne de la plupart des plateformes d'ordinateurs et de serveurs est en 12 V. Il s'agit d'une exigence héritée des anciennes technologies silicium, des disques durs assurant le stockage permanent, des ventilateurs de refroidissement, et d'autres composants de la plateforme informatique. Comme la consommation d'énergie des CPU a augmenté de façon spectaculaire à chaque génération de processeur, la demande élevée de courant de CPU s’est traduite par un courant d'entrée en 12 V de plus en plus élevé. Cette demande de courant plus élevée nécessite à son tour des câbles ou bus-barres plus gros pour distribuer le 12 V, et le courant plus élevé entraîne des pertes de distribution plus importantes. Les pertes d'énergie génèrent aussi de la chaleur, qui est l'ennemie de l'informatique haute densité, car elle réduit la durée de vie des appareils et rend les systèmes vulnérables. Une façon de lutter contre ces pertes est d'amener l'alimentation 48 V du rack dans le serveur lui-même, et d'y installer des convertisseurs de puissance 48 V dédiés.

Une alimentation 48 V peut fournir la même puissance qu’une alimentation 12 V avec un quart du courant, réduisant ainsi la perte de puissance dans le chemin de conduction d’un facteur 16. Cette amélioration impressionnante du rendement du système s'accompagne de certains défis. Les alimentations 12 V ont été optimisées sur de nombreuses générations et présentent un très bon rendement. Une alimentation de tension plus élevée nécessite une réduction de tension plus importante pour atteindre les tensions utilisables par les cœurs de CPU, ce qui peut conduire à un étage de conversion de puissance moins efficace. Des technologies silicium de tension supérieure sont également nécessaires et ont tendance à présenter une résistance plus élevée par unité de surface pour les architectures MOSFET, qui augmente également le coût du système. Ces défis ont conduit à innover et à mettre en œuvre des architectures avancées à titre expérimental. L'une des nouvelles technologies de conversion d’énergie les plus prometteuses est le convertisseur à condensateur à réservoir commuté (STC) (figure 2). Ces convertisseurs présentent un rendement extrêmement élevé et, dans la plupart des cas, une empreinte sur carte réduite. Selon le concepteur et l'architecture globale du système, des solutions de conversion à un ou plusieurs étages ont fait leurs preuves. La tension intermédiaire spécifique varie selon le fournisseur de silicium et elle est généralement choisie en fonction de ses technologies spécifiques. Les solutions les plus efficaces et les plus largement choisies sont de type 48 V à 12 V à 1 V pour alimenter les cœurs de CPU. Cette approche s'appuie sur deux solutions matures et modère la tension abaissée nette pour maximiser le rendement global du système (figure 3).



Figure 2 : Convertisseur à condensateur à réservoir commuté



Figure 3 : Convertisseur 48 V à 1 V à deux étages

Alimentation du processeur central
Les convertisseurs de puissance DC-DC à courant élevé font généralement appel à des topologies multiphases. Chaque phase est généralement composée de deux MOSFET (configuration en demi-pont côté haut et côté bas) et d'une inductance. Les MOSFET côté haut et côté bas sont regroupés pour augmenter la densité de puissance et constituent ce que l’on appelle communément un étage de puissance. Les phases multiples fonctionnent ensemble pour fournir la charge de sortie requise, et sont pilotées par un contrôleur multiphase intelligent. La commutation de chaque phase doit être échelonnée et soigneusement pilotée pour optimiser la régulation de charge, l'ondulation, la réponse transitoire et les émissions de bruit, tant rayonnées que conduites. Le nombre de phases et le courant dans chacun de ces étages de puissance sont soigneusement ajustés pour chaque génération spécifique de CPU. Le marché a observé une augmentation rapide du nombre de phases requises, et aussi de la densité de courant dans chaque étage de puissance. Les convertisseurs multiphasés les plus évolués utilisent jusqu'à 16 phases, avec une puissance totale délivrée dépassant largement 1000 W (figure 4).



Figure 4 : Alimentation CPU 1 V à 16 phases simplifiée

Étages de puissance intelligents
L'extrême densité de puissance requise par les processeurs avancés nécessite un rendement extrêmement élevé et une stricte régulation de la charge. Les technologies avancées au silicium submicronique profond utilisées dans les CPU et ASIC exigent des tolérances de tension serrées pour fonctionner correctement. Il est donc nécessaire que les étages de puissance offrent non seulement de faibles pertes, mais aussi des fonctions « intelligentes » telles que la signalisation du courant et de la température, ainsi que le reporting de défaillances. En rapportant le courant de phase et la température exacts au contrôleur multiphase, l'alimentation globale est capable de fournir au CPU la régulation de tension requise. Les progrès de la technologie MOSFET jouent aussi un rôle essentiel dans l'amélioration du rendement de chaque génération d'étage de puissance. La figure 5 montre l'amélioration du rendement d'onsemi. La conception doit équilibrer coût, rendement crête, et rendement à charge maximale, pour offrir la meilleure conception globale.



Figure 5 : Comparaison du rendement de différents étages de puissance intelligents

Conclusion
Le segment de marché du Cloud va continuer d'évoluer et de s'étendre, car les consommateurs demandent de plus en plus de données à portée de main. Pour répondre à ces demandes, les secteurs technologiques qui soutiennent l'infrastructure Cloud doivent continuer à innover et à anticiper les besoins du marché. L'ensemble de l'arbre d'alimentation Cloud, y compris les contrôleurs multiphases, les étages de puissance intelligents et les POL, doit être méticuleusement conçu et réalisé, pour optimiser le rendement et la fiabilité, afin de prendre en charge cette infrastructure. onsemi fournit des solutions de pointe pour l'ensemble de l'arbre d’alimentation desservant chaque nœud de 48 V à 1 V.

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