數(shù)據(jù)中心正在部署基于人工智能（AI）的技術，處理器密集型服務器正在推動能源需求的增長，下表說明了這種發(fā)展趨勢所帶來的巨大影響。國際能源署（IEA）預測，到2030年，數(shù)據(jù)中心的耗電量將占全球耗電量的7%，相當于印度全國的耗電量。

圖1：數(shù)據(jù)中心CPU和GPU技術的功耗

由于電力需求不斷增長，關注能源效率至關重要。泰克與知名電源完整性專家Steve Sandler合作，開發(fā)了出色的測量技術，旨在改進下一代人工智能數(shù)據(jù)中心的運營效率/能效。

提高電源分配網(wǎng)絡（PDN）的能效提高供電網(wǎng)絡（PDN）的能源效率

PDN必須為驅(qū)動服務器機架中的GPU敏感負載提供許多低噪聲直流電源軌。追求更高速度和更高密度意味著，需要在更低電壓水平和更大電流下實現(xiàn)更快邊緣速率、更高頻率和更多軌道。這突顯了良好電源完整性的重要性。

進行電源完整性測試的目的是，驗證到達負載點（POL）的電壓和電流在所有預期運行條件下是否滿足負載的電源軌規(guī)格要求。要在千兆赫頻率下準確測量毫伏級電源軌噪聲，尤其需要注意。

讓我們通過基于的服務器系統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡高能級結(jié)構(gòu)圖，了解如何評估PDN性能。

圖2：數(shù)據(jù)中心的高能級配電網(wǎng)絡

如圖所示，典型數(shù)據(jù)中心通過12V、24V或48V直流電源為其基于AI的服務器供電，然后在主板上將電壓轉(zhuǎn)換為其他電源電壓。工程師能夠查看從電源輸出到FPGA、處理器和其他復雜IC的鏈路中的每個環(huán)節(jié)，因此可以將電源軌阻抗控制在非常低的水平，以便輸送由GPU技術驅(qū)動的AI服務器所需的高電流。阻抗管理的棘手之處在于配電網(wǎng)絡由許多阻抗組成，包括電壓調(diào)節(jié)器、去耦電容器和PCB走線。高速交換和熱插拔服務器卡會引入意外的阻抗變化，這可能導致過多的瞬變或噪聲。

要確保穩(wěn)定節(jié)能的設計，首先要最大限度地減少PDN中的噪聲。電源軌噪聲規(guī)格可以達到數(shù)百兆赫或數(shù)千兆赫的頻率范圍，其幅度達到毫伏級。

評估能效首先要對交流線路輸入和輸出進行電能質(zhì)量測量，以確保線電壓和線電流符合要求。用于評估質(zhì)量的測量值如下所示：

● 頻率

● 有效電壓和電流

● 有效值

● 阻抗阻抗

● 波峰因數(shù)（電壓和電流）

● 有功功率、無功功率和視在功率真實功率、無功功率和視在功率

● 功率因數(shù)和相位功率因數(shù)和相位

為了確保準確進行這些測量，示波器探頭的選擇非常重要；使用差分探頭測量系統(tǒng)的線電壓，使用電流探頭測量系統(tǒng)的線電流。

另一個關鍵測量是對PDN控制環(huán)路響應進行頻率響應分析。這將提供有關控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的重要信息。借助波特圖查看分析結(jié)果，圖3中是示例設置。

圖3：電源分配網(wǎng)絡阻抗的測量設置

電源完整性探測系統(tǒng)應受重視電源完整性探測系統(tǒng)值得關注

當今示波器配備的高阻抗10X無源探頭可能具有足夠的帶寬，但會使您想要測量的噪聲信號發(fā)生衰減。1X探頭可無衰減地傳遞噪聲信號，但其帶寬僅為幾百兆赫。具有50?輸入阻抗的傳輸線探頭或電纜具有出色的高頻性能，但在直流情況下會產(chǎn)生顯著負載，除非增加直流隔離器。衰減傳輸線探頭產(chǎn)生的負載較小，同時保持低噪聲和高帶寬。

電源軌探頭是另一類低噪聲探頭，偏移范圍高達4GHz，直流偏移范圍為-60至+60 Vdc。在識別噪聲源方面，電源軌探頭是一種比傳統(tǒng)無源探頭更準確的替代工具，如下圖4所示。根據(jù)電源軌的電壓，可能需要直流阻斷器。如果需要，請確保直流阻斷器為示波器提供浪涌保護，并且不受直流或交流偏置的影響。電源軌探頭雖然能夠測量很小的噪聲，但也是單端測量。因此，需要使用能夠進一步減少測量接地環(huán)路誤差的同軸隔離器。Picotest提供多種直流阻斷器和同軸隔離器來滿足此類需求。詳細了解終極電源軌噪聲測量。

圖4：使用無源探頭（下方跡線）和電源軌探頭（上方跡線）的電源線紋波測量比較

快速低噪聲采集與超快速邊緣負載相結(jié)合，可模擬AI級處理器工作負載，從而可以準確評估PDN設計中的電源軌噪聲電壓以及電源軌與電源軌之間的串擾。在結(jié)合使用泰克5 B rId11 MSO或6 B rId12 MSO示波器的情況下，Picotest提供了完整的負載設備系列，最高為2,000安培、1納秒的邊緣負載，并支持高達65Ms/s的采樣率，以進行精確的模擬實驗。（見圖5）快速、低噪聲采集與超快邊緣負載相結(jié)合，可模擬AI級處理器工作負載；允許準確評估PDN設計中的電源軌噪聲電壓和電源軌到電源軌串擾。與泰克5系列B MSO或6系列B MSO示波器結(jié)合使用；Picotest提供高達2,000安培、1ns邊緣負載的完整負載系列，支持高達65MS/s的采樣率，以實現(xiàn)精確的仿真工作。（見圖5）

圖5：顯示了對AI級處理器進行偽隨機高幅度負載的特性分析

使用Picotest負載設備進行特性分析，并通過泰克6系列B MSO示波器進行測量，可以確保特性分析的準確性。泰克6系列B MSO示波器是捕獲低噪聲、高分辨率信號的理想儀器。

示波器測量分析有助于節(jié)省時間并減少錯誤

識別和分析PDN中的故障點可能耗費時間。在電源分配網(wǎng)絡中尋找紋波、過沖、欠沖、開啟、關閉、時間趨勢、穩(wěn)定時間和抖動信號是一項復雜的任務。值得慶幸的是，當今大多數(shù)現(xiàn)代示波器都提供了內(nèi)置分析軟件，用于設置儀器和自動執(zhí)行信號采集和顯示。下方為波紋自動測量示例。將這些特性內(nèi)置到儀器中，再加上具備通過遠程PC進行自動化的功能，可以簡化大型團隊的AI性能評估工作，同時，還可以評估AI支持性能隨時間和溫度的變化情況，以測試服務器的效率和耐久性。

圖6：自動紋波測量，并在5系列B MSO示波器顯示屏的右側(cè)顯示注釋結(jié)果

總結(jié)

由于人工智能（AI）推動下一代數(shù)據(jù)中心的能源需求增長，評估電源分配網(wǎng)絡（PDN）的性能和效率變得比以往任何時候都更加重要。采用良好的PDN測試和測量策略，將會使AI就緒數(shù)據(jù)中心達到最佳運行性能、可靠性和能效，登錄https://www.picotest.com/solutions/tektronix/，了解更多詳情：6系列B MSO | Tektronix。

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