کاربرد آهنرباهای فریت در سرورهای هوش مصنوعی: یک تحلیل چندبعدی

مقدمه

تکامل سریع هوش مصنوعی (AI) چشم‌انداز سخت‌افزار را تغییر داده و سرورهایی را طلب می‌کند که قادر به مدیریت بارهای محاسباتی بی‌سابقه باشند. در حالی که آهنرباهای خاکی کمیاب مانند نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) بر کاربردهای با کارایی بالا تسلط دارند، آهنرباهای فریت - متشکل از اکسید آهن و کربنات استرانسیم/باریم - به عنوان جایگزین‌های مقرون به صرفه و پایدار در زیرساخت سرورهای هوش مصنوعی در حال ظهور هستند. این تجزیه و تحلیل، کاربردهای آنها را در اجزای اصلی، مدیریت حرارتی، محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و نوآوری‌های آینده بررسی می‌کند و نقش آنها را در ایجاد تعادل بین عملکرد، هزینه و تأثیر زیست‌محیطی برجسته می‌سازد.

۱. آهنرباهای فریت در سیستم‌های انتقال قدرت: تضمین پایداری و کارایی

۱.۱ سلف‌ها و مبدل‌های قدرت

سرورهای هوش مصنوعی برای تأمین انرژی مداوم برای پردازنده‌های گرافیکی (GPU)، پردازنده‌های مرکزی (CPU) و ماژول‌های حافظه، به شبکه‌های تحویل توان (PDN) قوی نیاز دارند. سلف‌های هسته فریت در این اکوسیستم نقش محوری دارند و چگالی شار اشباع بالا و مقاومت DC (DCR) پایینی را ارائه می‌دهند که اتلاف انرژی را در طول تنظیم ولتاژ به حداقل می‌رساند. به عنوان مثال، سلف‌های قدرت کامپوزیت فلزی METCOM دارای چگالی شار اشباع هسته هستند که از سلف‌های فریت سنتی بیشتر است و میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر و اندوکتانس پایدار را در نوسانات دما ایجاد می‌کند. این پایداری برای بارهای کاری هوش مصنوعی بسیار مهم است، جایی که افت ولتاژ می‌تواند باعث خطاهای محاسباتی یا خرابی سیستم شود.

در مبدل‌های AC-DC اولیه، مهره‌های فریت و چوک‌های حالت مشترک، نویز فرکانس بالای تولید شده توسط منابع تغذیه سوئیچینگ را سرکوب می‌کنند و توزیع برق پاک را تضمین می‌کنند. محدوده دمای عملیاتی آنها از -40°C تا +125°C، آنها را برای مراکز داده، که در آنها مدیریت حرارتی یک چالش دائمی است، ایده‌آل می‌کند.

۱.۲ واحدهای منبع تغذیه ماژولار (PSU)

سرورهای هوش مصنوعی برای کاهش اتلاف انرژی به PSU هایی با رتبه بندی راندمان بالا (مثلاً 80 Plus Platinum یا Titanium ) نیاز دارند. آهنرباهای فریت در هسته های ترانسفورماتور این PSU ها با به حداقل رساندن تلفات هسته، راندمان تبدیل انرژی را افزایش می دهند. به عنوان مثال، یک PSU سرور هوش مصنوعی 12 کیلوواتی با استفاده از هسته های فریت می تواند به 96٪ راندمان برسد، در مقایسه با 92٪ برای طرح های سنتی، که به معنای صرفه جویی قابل توجه در هزینه در مقیاس بزرگ است.

۲. مدیریت حرارتی: آهنرباهای فریت در سیستم‌های خنک‌کننده

۲.۱ فن‌های خنک‌کننده و پمپ‌های مایع

سرورهای هوش مصنوعی گرمای بسیار زیادی تولید می‌کنند که نیاز به راهکارهای پیشرفته خنک‌کننده را ضروری می‌سازد. آهنرباهای فریت به دلیل پایداری حرارتی و مزایای هزینه‌ای، به طور گسترده در موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) برای خنک‌سازی فن‌ها و پمپ‌های مایع استفاده می‌شوند. برخلاف آهنرباهای NdFeB که در دمای بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد تخریب می‌شوند، آهنرباهای فریت تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل می‌کنند و این آنها را برای محیط‌های با گرمای بالا در نزدیکی رک‌های سرور مناسب می‌سازد.

برای مثال، یک فن با آهنربای فریت ۴۰ میلی‌متر در ۴۰ میلی‌متر در ۱۰ میلی‌متر می‌تواند ۲۵۰ وات گرما را با سرعت ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه دفع کند، در حالی که ۱۵٪ کمتر از یک فن مشابه مبتنی بر NdFeB برق مصرف می‌کند. این راندمان برای مراکز داده با مقیاس بزرگ حیاتی است، جایی که خنک‌سازی ۴۰٪ از کل مصرف انرژی را تشکیل می‌دهد.

۲.۲ سیستم‌های خنک‌کننده مایع

فناوری‌های نوظهور خنک‌کننده مایع، مانند خنک‌کننده غوطه‌وری ، وابستگی به آهنرباهای خاکی کمیاب در فن‌ها را کاهش می‌دهند. با این حال، آهنرباهای فریت هنوز در موتورهای پمپ و حسگرهای جریان نقش دارند، جایی که مقاومت در برابر خوردگی و هزینه کم آنها بر نیاز به قدرت مغناطیسی شدید غلبه می‌کند. یک پمپ مایع با محرک آهنربای فریت می‌تواند ۵۰۰ لیتر مایع خنک‌کننده را در دقیقه با حداقل نگهداری به گردش درآورد و هزینه‌های عملیاتی را در طول زمان کاهش دهد.

۳. محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI): محافظت از یکپارچگی سیگنال

۳.۱ مهره‌ها و چوک‌های فریت

سرورهای هوش مصنوعی حجم عظیمی از داده‌ها را پردازش می‌کنند و به یکپارچگی سیگنال اولیه نیاز دارند. دانه‌های فریت که روی خطوط داده یا کابل‌های برق قرار می‌گیرند، نویز فرکانس بالا (مثلاً از ارتباط GPU-CPU) را جذب می‌کنند و از تداخل و خرابی داده‌ها جلوگیری می‌کنند. امپدانس آنها در فرکانس‌های خاصی (مثلاً ۱۰۰ مگاهرتز تا ۳ گیگاهرتز) به اوج خود می‌رسد و آنها را برای بارهای کاری مختلف هوش مصنوعی قابل تنظیم می‌کند.

برای مثال، یک مهره فریت با اندازه 0805 و امپدانس 600 اهم در فرکانس 1 گیگاهرتز می‌تواند نویز را در خطوط PCIe Gen 5 سرکوب کند و انتقال داده پایدار بین پردازنده‌های گرافیکی (GPU) و پردازنده‌های مرکزی (CPU) را با سرعت 32 گیگا بایت بر ثانیه تضمین کند.

۳.۲ محفظه‌های محافظ

مواد محافظ مبتنی بر فریت در شاسی سرورها برای جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی خارجی از سیگنال‌های بی‌سیم یا سرورهای همسایه استفاده می‌شوند. برخلاف سپرهای فلزی که می‌توانند تداخل الکترومغناطیسی را منعکس کنند، فریت آن را جذب و به صورت گرما دفع می‌کند و تداخل را در اجزای حساس مانند SSDهای NVMe و ماژول‌های حافظه HBM3 کاهش می‌دهد. یک محفظه سرور با روکش فریت می‌تواند تداخل الکترومغناطیسی را تا 20 تا 30 دسی‌بل در محدوده 1 مگاهرتز تا 10 گیگاهرتز کاهش دهد و استانداردهای سختگیرانه FCC و CE را رعایت کند.

۴. ذخیره‌سازی داده‌ها: آهنرباهای فریت در هارد دیسک‌ها و SSDها

۴.۱ هارد دیسک‌ها (HDDها)

با وجود افزایش استفاده از SSDها، HDDها همچنان برای ذخیره‌سازی انبوه مقرون‌به‌صرفه در خوشه‌های آموزشی هوش مصنوعی حیاتی هستند. آهنرباهای فریت در موتورهای سیم‌پیچ صوتی (VCM) استفاده می‌شوند که هدهای خواندن/نوشتن را با دقت نانومتری قرار می‌دهند. نیروی وادارندگی بالای آنها (300-400 کیلوآمپر بر متر) عملکرد پایدار را حتی در قفسه‌های سرور لرزان تضمین می‌کند.

برای مثال، یک هارد دیسک ۳.۵ اینچی با VCM آهنربای فریت می‌تواند به سرعت انتقال پایدار ۲۵۰ مگابایت بر ثانیه دست یابد و در عین حال در برابر شوک‌های ۵۰۰۰ گیگاولتی مقاومت کند، که آن را برای ذخیره‌سازی بایگانی در دریاچه‌های داده هوش مصنوعی ایده‌آل می‌کند.

۴.۲ درایوهای حالت جامد (SSD)

در حالی که SSDها کمتر به آهنربا متکی هستند، اجزای فریت هنوز در محافظ EMI برای کانکتورهای PCIe و پدهای حرارتی برای تراشه‌های فلش NAND استفاده می‌شوند. رسانایی حرارتی پایین آنها (2-5 W/m·K) به جداسازی نقاط داغ کمک می‌کند و از گلوگاه حرارتی در حین حجم کاری شدید هوش مصنوعی جلوگیری می‌کند.

۵. نوآوری‌های آینده: طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی و پایداری

۵.۱ موتورهای آهنربای فریت بهینه شده با هوش مصنوعی

هوش مصنوعی با امکان تنظیم دقیق هندسه هسته و فرمولاسیون مواد، انقلابی در کاربردهای آهنربای فریت ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، شبکه‌های عصبی می‌توانند میلیون‌ها طرح آهنربا را برای بهینه‌سازی گشتاور و کاهش تلفات توان شبیه‌سازی کنند. نمونه‌های اولیه اخیر، مانند یک موتور کششی ۱۰۰ کیلوواتی مبتنی بر فریت ، نشان می‌دهند که طراحی با کمک هوش مصنوعی می‌تواند موانع عملکرد سنتی را بشکند و آهنرباهای فریت را برای کاربردهای سرور هوش مصنوعی با توان بالا مناسب سازد.

۵.۲ تولید پایدار

آهنرباهای فریت با کاهش وابستگی به عناصر کمیاب خاکی مانند نئودیمیوم که استخراج آنها باعث آسیب به محیط زیست می‌شود، با اهداف پایداری هوش مصنوعی همسو هستند. محققان در حال توسعه آهنرباهای فریت قابل بازیافت از قراضه فلز و زباله‌های صنعتی هستند و هزینه‌های تولید را به میزان ... کاهش می‌دهند.30% و کاهش ردپای کربن. به عنوان مثال، یک کنسرسیوم آلمانی فرآیندی را برای بازیابی آهنرباهای فریت از لوازم دور ریخته شده و پردازش مجدد آنها به آهنرباهای جدید با 90٪ راندمان اولیه ایجاد کرده است.

۵.۳ سیستم‌های آهنربای هیبریدی

ترکیب هسته‌های فریت با درج‌های نازک NdFeB، آهنرباهای هیبریدی ایجاد می‌کند که هزینه و عملکرد را متعادل می‌کنند. این سیستم‌ها استفاده از عناصر کمیاب را 50 تا 70 درصد کاهش می‌دهند و در عین حال 90 درصد از خروجی مغناطیسی را حفظ می‌کنند و آنها را برای سرورهای هوش مصنوعی که در آنها عملکرد شدید ضروری نیست، جذاب می‌کنند. به عنوان مثال، یک فن هیبریدی که با آهنربا کار می‌کند می‌تواند با 60 درصد هزینه، جریان هوای یک فن مبتنی بر NdFeB را تامین کند.

۶. چالش‌ها و محدودیت‌ها

۶.۱ موازنه‌های قدرت مغناطیسی

پسماند مغناطیسی پایین‌تر آهنرباهای فریت (0.2-0.5 تسلا در مقابل 1.0-1.4 تسلا برای NdFeB) استفاده از آنها را در کاربردهای با کارایی بالا مانند شتاب‌دهنده‌های GPU که برای سوئیچینگ سریع داده‌ها به میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده قوی نیاز دارند، محدود می‌کند. برای جبران، طراحان باید از آهنرباهای بزرگتری استفاده کنند که باعث افزایش اندازه و وزن می‌شود - یک نقص در رک‌های سرور با فضای محدود.

۶.۲ پیچیدگی تولید

تولید آهنرباهای فریت با کیفیت بالا شامل تکنیک‌های پیچیده‌ی زینترینگ و نانوساختارسازی است که نسبت به تولید NdFeB از بلوغ کمتری برخوردارند. این پیچیدگی می‌تواند منجر به نرخ نقص بالاتر و چرخه‌های تولید طولانی‌تر شود که مزایای هزینه را جبران می‌کند. به عنوان مثال، یک آهنربای فریت با محصول انرژی ۴۸ MGOe به ۱۰٪ زمان پردازش بیشتر از یک آهنربای NdFeB با قدرت معادل نیاز دارد.

۶.۳ پراکندگی بازار

بازار آهنربای فریت چندپاره است و تأمین‌کنندگان کوچک متعددی به جای کیفیت، بر سر قیمت رقابت می‌کنند. این چندپارگی می‌تواند منجر به عملکرد ناهماهنگ شود و خودروسازان را از به‌کارگیری آهنرباهای فریت در اجزای حیاتی سرورهای هوش مصنوعی منصرف کند. تلاش‌های استانداردسازی، مانند گواهینامه‌های ISO 9001 ، برای تضمین قابلیت اطمینان مورد نیاز است.

۷. روندهای منطقه‌ای: آمریکای شمالی، چین و اروپا

۷.۱ آمریکای شمالی

ایالات متحده بر تولید سرورهای هوش مصنوعی تسلط دارد که این امر به دلیل مراکز داده بسیار بزرگ (مانند آمازون، گوگل، مایکروسافت) و سرمایه‌گذاری‌های دولتی در زیرساخت‌های هوش مصنوعی است. تقاضای آهنربای فریت در منابع تغذیه و محافظ EMI در حال افزایش است و شرکت‌هایی مانند Magnetics Inc. ظرفیت تولید خود را تا ... افزایش می‌دهند.40% برای رفع نیازهای محلی.

۷.۲ چین

چین رهبر جهانی در تولید آهنربای فریت است و 60 درصد از تولید جهان را تأمین می‌کند. این تسلط به دلیل استقرار گسترده سرورهای هوش مصنوعی (به عنوان مثال، مرکز داده هانگژو علی‌بابا) و یارانه‌های دولتی برای جایگزین‌های عناصر خاکی کمیاب است. شرکت‌های چینی در حال سرمایه‌گذاری در آهنرباهای فریت با کارایی بالا ، مانند سری HF شرکت TDK هستند که 10 درصد شار مغناطیسی بالاتری نسبت به گریدهای استاندارد ارائه می‌دهند.

۷.۳ اروپا

خودروسازان و شرکت‌های فناوری اروپایی با کاهش استفاده از عناصر کمیاب، پایداری را در اولویت قرار می‌دهند. طرح‌های سبز اتحادیه اروپا و اقتصاد چرخشی، تحقیقات در مورد آهنرباهای فریت قابل بازیافت را هدایت می‌کنند. به عنوان مثال، یک کنسرسیوم آلمانی در حال توسعه فرآیندی برای بازیابی آهنرباهای فریت از لوازم دور ریخته شده و پردازش مجدد آنها به آهنرباهای جدید است که باعث کاهش ضایعات می‌شود.90% .

نتیجه‌گیری

آهنرباهای فریت جایگاه قابل توجهی در سرورهای هوش مصنوعی پیدا کرده‌اند و جایگزینی مقرون به صرفه و پایدار برای آهنرباهای مبتنی بر عناصر کمیاب ارائه می‌دهند. کاربردهای آنها شامل انتقال قدرت، مدیریت حرارتی، محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و ذخیره‌سازی داده‌ها است که ناشی از پیشرفت در طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی و تولید پایدار است. در حالی که چالش‌هایی مانند محدودیت‌های قدرت مغناطیسی و چندپارگی بازار همچنان ادامه دارد، نوآوری‌ها در سیستم‌های آهنربای هیبریدی و بازیافت در حال رفع این موانع هستند. از آنجایی که سرورهای هوش مصنوعی به کارایی بیشتر و تأثیر زیست‌محیطی کمتر نیاز دارند، آهنرباهای فریت نقش حیاتی فزاینده‌ای در شکل‌دهی آینده زیرساخت‌های هوشمند ایفا خواهند کرد. مسیر پیش رو نه در جایگزینی، بلکه در ادغام مکمل نهفته است، جایی که آهنرباهای فریت و NdFeB برای پیشبرد نوآوری در سراسر اکوسیستم هوش مصنوعی با هم همزیستی می‌کنند.