AIデータセンター向けDC/DCコンバータ：スペースと熱の課題への取り組み

生成AIは、データセンターをAIファクトリへと変貌させました。そこでは、性能は演算密度、ひいては1ラックあたりの電力密度をどれだけ高められるかに直結しています。最先端のGPUは、すでにデバイスあたり1kWを超えています。その結果、ラックの電力密度は日常的にメガワット規模に達しており、従来の配電、変換、冷却システムに、許容範囲をはるかに超える負荷をかけています。強制空冷だけでは追いつかないため、非効率な電力変換による熱負荷が冷却コストを膨らませることを受け、事業者らは液体冷却やハイブリッド冷却の導入を加速させています。言い換えれば、上流工程で効率をわずかでも向上させれば、その効果は2倍の利益をもたらします。1つは節約された電力として、もう1つは除去する必要がなくなった電力としてです。

業界の対応として、高電圧直流（HVDC）配電および多段式DC/DC電源変換に向けた、決定的なアーキテクチャの転換が進められています。48Vラックから±400Vまたは800V DCに移行することで、銅の質量とI²Rの損失を大幅に削減できます。HVDCを48Vに変換することで、ユーザーは既存の48Vバスアーキテクチャを電源分配ボードやマザーボードを活用し、12Vへ降圧し、電圧レギュレータを使用してAIプロセッサに必要なサブ電圧レールへ供給することが可能になります。

AIワークロードに3段階のDC/DC変換が有効な理由

HVDCから中間バスコンバータ（IBC）を経て、垂直電源またはダイ近傍の電圧安定化行う3段階の変換は、ハイパースケールおよびAI導入における事実上の標準的な構成となっています（図1）。

1. HVDC配電（±400Vまたは800V DC）
   • バスバーの電流を最小限に抑え、銅の重量と伝導損失を大幅に削減します。また、ロードマップにすでに示されている100kW超のラックや、MWクラスのクラスターに対応できるよう、インフラを整備します。
2. 中間バス変換（48Vを12Vまたは13.2Vまたは6～7Vに変換）
   • IBCは、効率的なポイントオブロードレギュレーションのための基盤を築きます。4:1（≒12V）と8:1（≒6V）の選択は、戦略的なトレードオフとなります。同じ電力容量において、4:1は8:1と比較してローカルバス内の電流を半減させるため、多相VRMの手前で配置の自由度が高まり、配電損失を低減できます。8:1は、基板上で負荷に近い位置に非常に低いバス電圧を必要とする一方で、I²R損失を回避するためにVRMへの近接性を高める必要がある場合に威力を発揮します。
3. 垂直電源供給（VPD）/VRM
   • 数百から1000Aを超えるレールは、寄生成分やIR損失を最小限に抑えるため、パッケージの下側から供給され、ダイから数インチ、あるいはミリメートルの距離に配置されます。これは、GPUやAIの過渡現象によって引き起こされる動的な負荷変動に対し、1V未満の電圧で安定化が行われます。

これらの段階全体にわたる効率の相乗効果は極めて重要です。AIラックはすでに250kWを超えているため、エンドツーエンドでわずか1～2パーセントポイントの改善でも、冷却コストを含めると、1ラックあたり年間で数キロワットの熱と数万ドルを削減できます。

図1：3段階の電源変換。（画像提供：Flex Power Modules）

次世代高密度および高効率IBCのご紹介

Flex Power Modulesは、AIデータセンター向けに最適化された製品ラインアップを提供しています。高電力密度、高効率、デジタル制御（PMBus）、そして一貫したフットプリントにより、お客様は基板の再レイアウトを必要とせずに拡張できます。

1. 固定変換比4:1中間バスコンバータ

BMR316 — 1 kW非絶縁、4:1非安定化IBC

• 入力38～60Vを出力9.5～15Vに変換
• 非安定化4:1変換比率
• 連続1kW、ピーク2.8kW（BMR313の後継機種）
• 50%負荷時（入力54V）で最大97.7%の効率
• 超小型LGA：23.4 × 17.8 × 7.65mm、コールドウォールマウントまたは液体冷却に最適化
• PMBusテレメトリ、Flex Power Designerソフトウェアと統合：https://flexpowermodules.com/flex-power-designer

本製品は、ピーク過渡時における効率を犠牲にすることなく、12～13.5Vの中間バスを必要とする、スペースが限られたAIアクセラレータカードを対象としています。

図2：Flex Power ModulesのBMR316。（画像提供：Flex Power Modules）

2. 48/54Vを安定化12Vに変換する1/4ブリック

BMR352 — 2kW非絶縁、安定化12V IBC（1/4ブリック）

• 入力40～60V、出力8～13.2V
• 最大連続出力2kW、ピーク出力3kW
• ピーク効率約98%、PMBus、並列接続用のアクティブ電流シェア
• 熱的、機械的統合が容易な標準的な1/4ブリックフットプリント

使用例：広範囲の負荷変動において厳密な電圧許容差を必要とするベースボードおよびサーバスレッド向けの安定化12Vレール。

図3：Flex Power ModulesのBMR352。（画像提供：Flex Power Modules）

3. 固定変換比8:1中間バスコンバータ

BMR323 — 非絶縁、デジタル、固定変換比8:1

• 入力40～60Vを出力5.0～7.5Vに変換
• 非安定化8:1変換比率
• 適用対象：連続出力600W、ピーク出力1.2kW
• 50%負荷時（入力54V）で最大97.8%の効率
• 8:1トポロジの利点を活かせる、メモリおよび補助負荷に給電する6～7Vの中間レールに最適

図4：Flex Power ModulesのBMR323。（画像提供：Flex Power Modules）

冷却移行に対応した設計

液体冷却の普及に伴い、パワーモジュールはコールドプレート、CDU、マニホールドの配線と連携する必要があります。空気からチップへの直接冷却や液浸冷却への移行は今後も続きますが、ハイブリッド冷却ソリューションでは、依然として約20%熱除去を空冷が担うことになります。したがって、モジュールの効率は依然として極めて重要です。コンバータ1台あたりの放熱をわずか10～20W削減するだけでも、ラックあたり数キロワット分の削減となり、ポンプやチラーの負荷を軽減することができます。Flex Power Modulesの安定化QBモジュールおよび小型LGAモジュールは、最適動作域で98%近い効率を発揮し、この新しい環境において熱的に優れた性能を発揮するように設計されています。

現在、AIインフラにおいて電源は決定的な制約要因となっています。成功を収めるのは、力任せではなく、よりスマートで高密度、かつ冷却効率の高い電源供給によって、ラック単位あたりの演算能力を向上させるアーキテクチャです。高効率IBCおよびダイ近接における安定化を中核とする3段階のDC/DC変換が、その道筋を切り開きます。現在発売中のBMR316/BMR352/BMR323に加え、さらに高い電力レベルと8:1いったより大きな変換比を実現する新しいソリューションが開発中であり、Flex Power Modulesは、基板スペースや熱マージンを犠牲にすることなく、高電力化へのスムーズな道筋を提示します。