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Da Analog Devices una tecnologia di gestione dell’alimentazione per applicazioni di comunicazione 5G e Data Center

Analog Devices: tecnologie di gestione dell'alimentazione In questo articolo, vengono analizzate le problematiche tipiche della comunicazione e come sia possibile risolverle brillantemente attraverso l’innovazione tecnologica.

Un ricetrasmettitore radio 5G appeso in cima a un traliccio di 25 metri ai margini del deserto del Mojave è esposto a un caldo torrido. Più piccoli e leggeri sono i componenti radio e più efficienti sono i sistemi elettronici, minore è il calore che generano e più facile è mantenere il sistema fresco e funzionante. In un data center di oltre 400 ettari, interi banchi di server stanno eseguendo milioni di ricerche e comandi con carichi di lavoro elevati per alimentare un mondo sempre più affamato di informazioni. La tecnologia richiede una transizione rapida di correnti elevate, con densità di componenti di potenza molto alte che massimizzano l’efficienza per fornire rapidamente i contenuti.

Nel mondo delle comunicazioni in continua evoluzione, le attuali applicazioni più impegnative per l’elettronica di potenza devono affrontare ostacoli tecnici legati a dimensioni, peso e potenza (SWaP). Quasi tutte le applicazioni sembrano diventare più piccole e leggere richiedendo al contempo più potenza. La necessità di ottimizzare i parametri SWaP sta guidando il settore dell’elettronica di potenza in molti modi nuovi. La tecnologia di gestione dell’alimentazione svolge oggi un ruolo significativo nell’innovazione del settore dei data center e delle comunicazioni.

Avendo come obiettivo la sostenibilità e la riduzione dei costi, per conseguire la leadership tecnologica è necessaria una maggiore efficienza del sistema. L’utilizzo di tecnologie di processo più avanzate nei sistemi di comunicazione comporta tensioni operative inferiori e correnti significativamente più elevate, il che mette a dura prova l’efficienza del sistema. Per questi sistemi di nuova generazione è necessario prendere in considerazione metodologie che vanno oltre lo sviluppo del silicio puro. È in questo contesto che ADI è pronta a introdurre importanti innovazioni. 

Miglioramento dell’efficienza e dei parametri SWAP in applicazioni wireless

Relativamente alle interfacce wireless, si pone grande attenzione sulla massimizzazione della densità di potenza e sull’ottenimento di una soluzione il più possibile piccola, allo scopo di ridurre le dimensioni complessive delle applicazioni 5G o per fornire la flessibilità di incorporare capacità o funzionalità aggiuntive. Operare in uno spazio più piccolo si traduce in un funzionamento più economico ed efficiente.



Le opzioni e i progressi possibili nella tecnologia delle comunicazioni wireless sono infiniti. La profonda conoscenza del settore di Analog Devices abbraccia numerosi settori e tecnologie, e offre prospettive e soluzioni che soddisfano le esigenze crescenti di questi sistemi. Le competenze includono metodi alternativi di packaging a livello di sistema che influiscono su dimensioni, peso e potenza e consentono di ottenere un ingombro ridotto, un numero inferiore di componenti e un impatto minore sull’area della scheda. La riduzione delle dimensioni delle schede ha il valore aggiunto di liberare spazio per includere nuove tecnologie o funzionalità supplementari come l’intelligenza artificiale (AI) e il riconoscimento vocale. I sistemi a basso rumore richiedono una minore schermatura; quest’ultima richiede meno peso e dimensioni più ridotte.

Eliminazione del rumore

Per funzionare, i componenti elettronici richiedono una varietà di tensioni e correnti. Una conversione efficiente dell’alimentazione è fondamentale per ottenere un sistema ben funzionante. Ciò significa che è necessaria una conversione dell’alimentazione a commutazione ad alta frequenza. Uno svantaggio della commutazione ad alta frequenza è la generazione di interferenze elettromagnetiche (EMI) nello spettro di frequenze RF. Questa interferenza EMI può interrompere il funzionamento di dispositivi altamente sensibili come il ricetrasmettitore RF integrato in una rete 5G. La serie di convertitori di potenza Silent Switcher® di ADI funziona ad alta frequenza massimizzando l’efficienza, generando i livelli di interferenza elettromagnetica (EMI) più bassi del settore. Ciò si traduce in un collegamento di comunicazione più stabile nelle apparecchiature di rete cellulare.

L’installazione radio 5G è preposta alla fornitura di servizi cellulari e Internet in tutto il mondo, che consentono a lavoratori, amici e familiari di rimanere in contatto. La promessa di un futuro connesso a livello globale avrà senza dubbio un impatto enorme sul modo in cui la popolazione mondiale vivrà, apprenderà, lavorerà e giocherà. Per raggiungere questo obiettivo, la tecnologia wireless di quinta generazione richiederà progressi significativi nel campo dell’elettronica di potenza e l’affidabilità sarà fondamentale, poiché delle vite potrebbero dipendere da essa.

Molte applicazioni 5G sono mission-critical e sempre attive. Per le comunicazioni importanti e la gestione delle emergenze in caso di incidente, gli operatori sanitari e i soccorritori si affidano alla tecnologia.

Data center: la spina dorsale del cloud computing

Secondo la McCormick School of Engineering and Applied Science Northwestern University, la quantità di elettricità consumata dai data center mondiali nel 2018 corrisponde a 205 Terawatt-ora. La necessità di dati e risorse di storage su richiesta da parte di aziende e consumatori sta aumentando in modo esponenziale. Per soddisfare tali esigenze, sarà necessario un aumento significativo della potenza dei data center. Ciò significa che una conversione efficiente dell’energia è un fattore critico nella gestione della domanda di energia sul nostro sistema di rete elettrica già sotto pressione. Si rendono quindi indispensabili miglioramenti nella tecnologia di gestione dell’alimentazione, poiché alcuni data center consumano quanto una città di 80.000 abitanti.

«ADI offre valore aggiunto fornendo soluzioni caratterizzate da alta densità e tempi di risposta rapidi per alimentare i dispositivi ASIC, CPU e GPU avanzati, necessari per elaborare tutti questi dati», ha affermato Gary Sapia. I circuiti integrati per applicazioni specifiche, progettati su misura per un utilizzo particolare, consumano elevate quantità di energia. A parità di potenza, le soluzioni di ADI contribuiscono a ridurre le perdite di conversione di potenza e la dissipazione del calore.

Cosa c’è dietro a una ricerca su Google?

Quando si cerca un’immagine il motore di ricerca si attiva, elabora le informazioni e le trova rapidamente tra una selezione di forse due miliardi di scelte. Questo sforzo richiede una specifica e robusta unità di elaborazione, la quale ricerca all’interno di un enorme database che impiega l’intelligenza artificiale (AI).

Tutte queste operazioni richiedono che una rete di macchine si attivi molto velocemente per eseguire l’operazione, con un conseguente rapido aumento di potenza.

Un picco di potenza significa un picco di corrente. È simile alla pressione del pedale dell’acceleratore della vostra auto: l’iniettore di carburante si apre e spruzza gas nel motore, portandovi a destinazione. Quando si clicca su “cerca”, si preme essenzialmente l’acceleratore, alimentando numerosi server. Queste macchine hanno bisogno di molta corrente per eseguire la vostra richiesta, e ne hanno bisogno subito! 

Il tempo impiegato dalle soluzioni di gestione dell’alimentazione di Analog Devices per alimentare centinaia di amplificatori e consentire l’apertura dei gateway è di 3 microsecondi. Queste soluzioni forniscono una risposta molto rapida al transitorio. 

Per gestire la domanda attuale in un periodo di tempo molto breve sono necessari sistemi speciali con funzionamento ad alta efficienza e a banda larga. L’integrazione monolitica e la tecnologia proprietaria degli induttori accoppiati di ADI consentono di soddisfare tali requisiti strigenti offrendo, al contempo, un’efficienza superiore e un ridotto il consumo energetico.



Dimensioni, peso e potenza

Qualunque sia il vostro punto di vista, ovunque guardiate, per i data center e l’intero settore delle comunicazioni, l’esigenza di ridurre dimensioni, peso e potenza rimane una costante.

I prodotti circuitali e di connettività di ADI includono circuiti integrati (IC) che gestiscono il controllo delle informazioni di sistema, la raccolta e la traduzione dei dati, sensori dati ad alta precisione, soluzioni radio RF e di conversione di potenza ad alta efficienza. Tutto ciò è racchiuso in reference design discreti e in sistemi di moduli specifici per applicazioni altamente integrate note come µModule.

I data center, le società di social media, i produttori di dispositivi connessi, i fornitori di servizi cloud e i giganti dei motori di ricerca si impegnano a raggiungere obiettivi di sostenibilità ambiziosi. Le cinque principali società tecnologiche statunitensi, note simpaticamente come FAANG, gestiscono data center iperscalabili, fabbriche di informazioni super efficienti, ciascuna con fino a 2,5 milioni di server. Per quasi un decennio, esse hanno semplificato i processi informatici, passando alle energie rinnovabili e studiando modi migliori per raffreddare le loro strutture. Questi colossi dei dati si sono autoimposti una responsabilità straordinaria nel ridurre al minimo il proprio utilizzo delle risorse del pianeta.  

Minimizzazione del costo dell’energia

Con l’avvento del 5G e la necessità di sistemi ad alta velocità di trasmissione dati, la potenza di elaborazione dei data center sta crescendo a dismisura. L’energia può costituire più della metà dei costi di un tipico data center, e il 30-40% di tale cifra è attribuita ai sistemi di raffreddamento degli edifici. È opportuno, dal punto di vista finanziario e commerciale, ridurre il consumo energetico quando la bolletta per l’energia elettrica e il raffreddamento dei sistemi continua a rappresentare una parte significativa delle spese operative.

I sistemi di alimentazione inefficienti producono calore. Pertanto, un sistema di alimentazione più efficiente richiederà meno energia per funzionare, meno spazio da dedicare ai sistemi di raffreddamento e meno denaro destinato a ventole, dissipatori di calore e altre forme di gestione termica. La riduzione del consumo energetico di un data center aiuta le aziende di comunicazione a operare in modo più efficiente e sostenibile. La tecnologia di ADI può contribuire a rendere i server FAANG più efficienti e a consumare meno energia.

I quattro vettori per la gestione intelligente dell’alimentazione

Analog Devices: tecnologie di gestione dell'alimentazione
Le innovazioni nel campo dell’energia seguono quattro vettori.

Le società di comunicazione che alimentano dispositivi con corrente estremamente elevata non si affidano più al raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico utilizzando componenti pronti all’uso. Esse sfruttano materiali innovativi e moduli di piccole dimensioni per fornire loro nuovi percorsi verso radio 5G più piccole e leggere. ADI offre soluzioni su misura per soddisfare le esigenze dei clienti considerando quattro vettori di gestione intelligente dell’alimentazione per raggiungere obiettivi aggressivi di risparmio energetico.

Le dimensioni contano in egual misura in un data center di grandi dimensioni e sulla sommità di un’antenna radio 5G. Circuiti elettronici più piccoli che utilizzano meno metallo, plastica e altre risorse aiutano i leader tecnologici a raggiungere i loro obiettivi di sostenibilità.

Circuiti di alimentazione di piccole dimensioni

I fattori di forma dei server sono standard in tutto il settore. L’aumento delle prestazioni di velocità dati degli ASIC richiede aumenti significativi in termini di potenza. Dati i vincoli dimensionali costanti, gli ingegneri possono aumentare la capacità di throughput.

La risposta: l’ingegneria ADI lo rende possibile, fornendo le soluzioni con la più alta densità di potenza del settore, aggiungendo valore con l’integrazione avanzata e la tecnologia magnetica proprietaria, che offre più potenza con maggiore efficienza e in meno spazio. In sostanza, attraverso l’innovazione di ADI, è possibile concentrare più capacità di calcolo a parità di volume.

Analog Devices: tecnologie di gestione dell'alimentazione

Tecnologie avanzate

I miglioramenti nella progettazione, nel packaging e nell’integrazione dei circuiti e dei componenti magnetici stanno inoltre riducendo le dimensioni del sistema di alimentazione nelle apparecchiature di comunicazione wireless e cablate. La tecnologia µModule®, introdotta da ADI, offre le soluzioni con la più alta densità di potenza del settore, con i vari componenti di alimentazione che costituiscono una soluzione di alimentazione completa, alloggiata all’interno di un unico substrato surface-mount (SMD). Un circuito di alimentazione convenzionale che converte la tensione del bus di ingresso nelle tensioni del funzionamento del sistema può contenere fino a 30 componenti separati. Combinando questi elementi circuitali in un unico dispositivo µModule, i produttori di apparecchiature possono ridurre l’ingombro del circuito di alimentazione, posizionarlo più vicino al carico, semplificare la progettazione e ottimizzare le prestazioni del sistema.

Man mano che la tecnologia di processo migliora, le tensioni di sistema diminuiscono e i requisiti di corrente aumentano in modo non lineare. Questo notevole aumento di corrente nella rete di distribuzione dell’energia (PDN) dà origine a perdite che influiscono in modo significativo sull’efficienza energetica del sistema e sulla dissipazione di potenza sotto forma di calore. Come ben sappiamo, la perdita di potenza aumenta con il quadrato della corrente. La nostra sfida più grande consiste nel ridurre questa perdita. È qui che la tecnologia µModule di ADI affronta la sfida a testa alta.

Gestione intelligente del sistema

Per ottenere la massima efficienza operativa, è necessaria una gestione intelligente del sistema per gestire e controllare efficacemente i sistemi di alimentazione. I sistemi radio 5G e i server dei data center possono trarre vantaggio dalle nuove tecnologie di oggi, che consentono agli operatori di migliorare progressivamente l’efficienza e l’affidabilità nel tempo utilizzando le informazioni acquisite dai dati operativi. L’intelligenza artificiale o l’alimentazione intelligente offre agli operatori dei data center la possibilità di monitorare il consumo di energia e di spegnere o accendere i rack dei server al volo, se necessario, per risparmiare energia. Le strutture prive di una gestione intelligente del sistema possono finire per avere server accesi, inutilmente, nelle ore non di punta. Utilizzando la gestione intelligente dei sistemi di ADI, gli operatori dei data center possono ottenere risparmi energetici fino al 25%, riducendo al contempo le bollette dell’energia elettrica.



Sicurezza e affidabilità

I data center richiedono enormi quantità di energia per funzionare. Il monitoraggio e il controllo dell’alimentazione in caso di guasto sono fondamentali per la sicurezza e l’affidabilità. La tecnologia di hot swap intelligente di ADI stabilisce lo standard del settore nel fornire il monitoraggio e il controllo del sistema che sono richiesti per assicurare un funzionamento sicuro e affidabile del data center.

L’hot swap assicura che la corrente di ingresso sia controllata in modo sicuro, prevenendo le sollecitazioni dei componenti che possono causare guasti del sistema e un peggioramento delle prestazioni nel ciclo di vita dei componenti. In caso di guasto, la funzione di hot swap avvisa il sistema e tenta di limitare la condizione o di eseguire uno spegnimento immediato per prevenire un guasto catastrofico, come un incendio.

La tecnologia di hot swap intelligente gestisce la tensione e la corrente a livello di scheda su rack, consentendo l’installazione sicura di una scheda di riserva (o scheda di linea) senza la necessità di spegnere l’intero rack o sistema. Ciò consente di effettuare una manutenzione affidabile delle singole unità e riduce al minimo le interruzioni del servizio, risparmiando tempo e costi.

La soluzione di hot swap intelligente di ADI è una tecnologia avanzata che garantisce il funzionamento dei sistemi in modo efficiente, sicuro e affidabile, parametri fondamentali questi per qualsiasi sistema di data center ad alta potenza.

Soluzioni per la sostenibilità

I servizi di telefonia mobile e dati Internet sono il modo in cui la maggior parte del mondo rimane connessa e informata. La portata di queste tecnologie ha un impatto enorme, sia dal punto di vista ambientale che finanziario. Ecco perché le innovazioni nella tecnologia di gestione dell’alimentazione sono così preziose, con il loro potenziale di migliorare la sostenibilità attraverso una maggiore efficienza.

La creazione di soluzioni sostenibili che consumano meno energia sta diventando sempre più importante in tutte le applicazioni. I semiconduttori di potenza sono fondamentali per il conseguimento di questo obiettivo. Ma la tecnologia è solo un punto di partenza. ADI si impegna a rendere più semplice per i progettisti di sistemi elettronici di potenza l’introduzione sul mercato di data center sicuri e affidabili e innovazioni nel campo della comunicazione, e il raggiungimento dell’obiettivo di un futuro sostenibile a beneficio del pianeta e della sua popolazione globale.

Gary Sapia è Director, Power Technology Development and Market Expansion presso Analog Devices.

Andrea Pizzutelli è Senior Director of Product Applications in Data Center Equipment presso Analog Devices.