هل تنقذ وحدة كربيد السيليكون مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي؟

سباق الكهرباء العالمي يبحث عن كفاءة لا عن إنتاج فقط

الطلب العالمي على الكهرباء يرتفع بسرعة، ومعه تتزايد الضغوط على أنظمة الطاقة حول العالم. مراكز البيانات التي تدعم الذكاء الاصطناعي وتستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، إلى جانب توسع التصنيع، باتت تفرض واقعًا جديدًا لا يكفي فيه توليد المزيد من الكهرباء وحده. الفكرة الأهم أصبحت في كيفية استخدام الإمدادات الحالية بكفاءة أعلى وبكلفة أقل، بحيث تتحول كل وحدة طاقة متاحة إلى قدرة نافعة بأكبر قدر ممكن، مع تقليل الفاقد الكهربائي أثناء التحويل.

لتلبية هذا التحدي، طوّر باحثون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (National Renewable Energy Laboratory) المعروف اختصارًا بـ (NREL) وحدة قدرة جديدة تعتمد على كربيد السيليكون (silicon carbide). هذا التصميم يستهدف تحسين كفاءة تحويل الكهرباء وتوصيلها، مع تحقيق كفاءة قياسية، وكثافة قدرة أعلى، ومسار تصنيع يحافظ على انخفاض التكلفة.

ما هي وحدة ULISولماذا يراهن عليها الباحثون؟

وحدة القدرة هي الغلاف الذي يضم إلكترونيات القدرة، وهي المكونات التي تنظّم تدفق الكهرباء بين الأنظمة المختلفة وتضبط عملية تحويل الطاقة. التقنية الجديدة تحمل اسم وحدة القدرة الذكية منخفضة الحث للغاية (Ultra-Low Inductance Smart power module) ويُشار إليها داخل فريق التطوير باسم (ULIS).

تعتمد (ULIS) على أشباه موصلات من كربيد السيليكون، ما يمكّنها من تحقيق كثافة طاقة أعلى بخمس مرات مقارنة بتصميمات أقدم، مع شغل مساحة أقل. وبهذا المعنى تُطرح (ULIS) بوصفها وحدة كربيد السيليكون يمكن أن تساعد المصنعين على بناء معدات أصغر وأخف وأكثر كفاءة في استهلاك الكهرباء، بدل أن تزداد الأجهزة حجمًا وحرارة وتعقيدًا كلما ارتفعت الحاجة للطاقة.

ويستهدف النموذج الحالي مواصفات 1200 فولت و400 أمبير، وهي مواصفات تجعل الوحدة مناسبة لبيئات متعددة مثل مراكز البيانات، وشبكات الكهرباء، ومفاعلات مصغّرة (microreactors)، ومنصات ثقيلة الاستخدام تشمل طائرات الجيل التالي والمركبات العسكرية. ومع كثافة قدرة أعلى، يصبح تطوير محولات أصغر وأخف وأكثر كفاءة هدفًا أقرب للتطبيق في الواقع.

لماذا يقلل الحث الطفيلي الفارق في تحويل الطاقة؟

الميزة المحورية في (ULIS) ترتبط بما يُسمى الحث الطفيلي (parasitic inductance). ويمكن تبسيط المفهوم بأنه أثر كهرومغناطيسي غير مرغوب يبطئ تغيّر التيار عندما يحتاج النظام إلى تبديله بسرعة، ما يحد من كفاءة التحويل ويقلل القدرة المستفادة من الكهرباء المتاحة.

بحسب فريق (NREL)، نجحت (ULIS) في خفض هذا الحث الطفيلي بمقدار يتراوح بين سبع إلى تسع مرات مقارنة بأكثر وحدات كربيد السيليكون تقدمًا اليوم. وبما أن الوحدة قادرة على تبديل التيار بسرعة كبيرة وبكفاءة أعلى، فهي تحوّل نسبة أكبر من الكهرباء المتاحة إلى قدرة قابلة للاستخدام، وهو ما يجعلها مرشحة قوية لمحولات مراكز البيانات التي تعمل تحت ضغط أحمال مرتفعة.

فيصل خان (Faisal Khan)، كبير باحثي إلكترونيات القدرة في (NREL) والمحقق الرئيسي للمشروع، وصف (ULIS) بأنها اختراق حقيقي، معتبرًا أنها وحدة فائقة السرعة ومهيأة للمستقبل، وستجعل الجيل القادم من محولات القدرة الكهربائية أكثر توفيرًا وأعلى كفاءة وأصغر حجمًا.

كفاءة عالية مع موثوقية في ظروف قاسية

لم يركز التصميم على الكفاءة فقط، بل على الاعتمادية في ظروف شديدة الصعوبة أيضًا. وفقًا لخان، تستطيع الوحدة الخفيفة والقوية مراقبة حالتها والتنبؤ بتعطل المكونات قبل وقوعه، وهو ما يمنح الأنظمة فرصة للتعامل مع الخلل مبكرًا.

وتصبح هذه النقطة بالغة الأهمية في التطبيقات عالية المخاطر مثل الطيران أو العمليات العسكرية، حيث قد تعني القدرة على اكتشاف الأعطال مبكرًا الفارق بين نجاح مهمة وخسارة كبيرة. ويشير خان إلى أن تطوير (ULIS) تم بالكامل داخل (NREL) بجهد داخلي، مع حماس لاختبار قدراتها في تطبيقات واقعية.

تصميم مسطح ثماني الأضلاع لتقليل التكلفة وزيادة الأداء

جزء كبير من مكاسب الأداء جاء من إعادة تصميم الشكل الفيزيائي للوحدة. فبدل حزم تقليدية تشبه الصندوق تُكدّس فيها أجهزة أشباه الموصلات، اختار الفريق ترتيب الدوائر في تخطيط مسطح أقرب إلى شكل ثماني الأضلاع. هذه البنية القرصية تسمح بوضع مكونات أكثر في مساحة أصغر، ما يخفض الحجم والوزن، ويُسهل دمج الوحدة ضمن معدات متعددة.