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Image shows a two people woking together in a Data Server Machine room collecting information.
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      Portrait image of Gary Sapia.
      Gary Sapia,

      電源技術開発/市場開拓担当ディレクタ

      アナログ・デバイセズ

      Portrait image of Andrea Pizzutelli.
      Andrea Pizzutelli,

      データ・センター機器向けプロダクト・アプリケーション担当シニア・ディレクタ

      アナログ・デバイセズ

      著者について
      Gary Sapia
      Gary Sapia は、アナログ・デバイセズの新技術/市場開拓チームのチーム・リーダーです。23年ほど前にLinear Technology(現在はアナログ・デバイセズに統合)に入社。その前は、Ashtech(後のMagellan/Orbital Sciences)でアナログ設計エンジニアを務めていました。初期のGPSに向けて、RFアナログ・フロント・エンドのソリューション設計に従事。電源、LNA、完全型のアナログ・フロント・エンド、オペアンプ/コンパレータ、様々なデータ・コンバータ、それらの製品のテスト用システムで使われるアナログ回路の設計やトラブルシューティングを担っていました。また、テスト用システムについてはソフトウェア開発も担当していました。Linear Technologyでは、フィールド・アプリケーション・エンジニアとしてベイエリアの企業を担当。多くの技術者と共に様々なアナログ・システムの設計に取り組み、充実した日々を過ごしました。現在は、多くの人々と共にハードウェアに向き合ってきた40年間の経験を踏まえ、将来の事業の成長に向けて前進し続けるアナログ・デバイセズを支えるべく、意欲的に業務に取り組んでいます。
      Andrea Pizzutelli
      Andrea Pizzutelliは、アナログ・デバイセズでデータ・センター機器向けのプロダクト・アプリケーションを担当するシニア・ディレクタです。15年にわたり電力変換ICの開発に従事してきました。主にデータ・センター、通信、ノート型PCの市場を対象とし、様々な役職を歴任。共著者として複数の論文を発表しています。また、数多くの米国特許も保有しています。イタリアのミラノ工科大学で情報技術に関する博士号、電気工学の学士号を取得しました。
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      先進的なパワー・マネージメント技術により、5G通信とデータ・センターのニーズに応える


      モハーベ砂漠の端には、高さ25mのアンテナ塔が設置されています。その先端に配備された5G無線のトランシーバーは、灼熱とも言えるレベルの高温にさらされています。無線分野では、コンポーネントの小型化/軽量化を進めつつ、電子システムの電力効率の向上が図られています。効率を高めれば熱の発生量を抑えられ、システムを低い温度に保って動作を維持することが容易になります。データ・センターについても同じようなことが言えます。データ・センターは、敷地面積が1000エーカー(4.047km2)にも達する規模で開設されます。そこには、サーバ機器が何列にもわたって配備され、何百万回もの検索といった需要の高い処理が実行されます。それにより、情報に飢えた世界に対して大量のデータが供給されます。そのようなシステムを実現するには、電力コンポーネントの密度を高めて、高速に遷移する大電流に対応できるようにしなければなりません。それにより、コンテンツを迅速かつ効率的に提供することが可能になります。

      Image shows a 5G antenna structure in the middle of a very hot desert sky with a sun blaring on the left of the image.

      通信の世界では、引き続き技術の進化が求められています。この分野のアプリケーションは、現在のパワー・エレクトロニクスにとって対応が最も難しいものだと言えます。そうしたアプリケーションは、SWaP(サイズ、重量、消費電力)の低減といった技術的なハードルを越えなければなりません。あらゆるアプリケーションでは小型化と軽量化が進んでいますが、その一方で必要な電力量は増える傾向にあります。パワー・エレクトロニクスの業界は、SWaPを最適化したいというニーズに対応するために様々な方法を提供しています。言い換えると、データ・センターや通信業界におけるイノベーションは、パワー・マネージメント技術の進化によって支えられているということです。

      現在、多くの業界では、持続可能性の実現とコストの削減が目標として掲げられています。そのような状況下で技術的なリーダーシップを発揮するには、電力効率の高いシステムを提供しなければなりません。ICベンダーの立場から言えば、より高度なプロセス技術を採用した製品を提供することが1つの目標になります。そうすれば、通信やデータ・センターで使用されるシステムにおいて、動作電圧を下げたり、より多くの電流を供給したりすることが可能になるからです。解決すべき問題はシステムの効率です。次世代のシステム向けには、純粋なシリコン・ベースの手法とは異なる方法論の採用を検討しなければなりません。実際、アナログ・デバイセズは、通信分野やデータ・センターの分野に進化をもたらすための態勢を既に整えています。

      ワイヤレス端末のSWaPと効率の改善

      ワイヤレス・システムの端末側では、電力密度を最大化しつつ、小さなサイズを維持することに重点が置かれています。実際、5G通信を利用するアプリケーションでも、ソリューション全体のサイズは小さく保たれ、機能/能力を追加で組み込めるだけの柔軟性が提供されています。より小さなスペースで動作を実現できるということは、より高いコスト・パフォーマンス、より高い効率で機能を提供できるということにつながります。

      ワイヤレス通信の分野では、選択可能なオプションや技術の進歩に対するニーズが尽きることはありません。アナログ・デバイセズは、広範な技術や業界を対象として深い専門知識を蓄積しています。それらを基盤にして様々な視点やソリューションを提供することで、通信やデータ・センターの分野のシステムに求められる要件に対応しています。当社が提供する知見には、SWaPに影響を与えるシステム・レベルの新たなパッケージング技術なども含まれています。それらの技術は、フットプリントや部品点数、基板面積の削減といった効果をもたらします。基板上の実装面積を削減できれば、解放されたスペースを利用し、AI(人工知能)や音声認識といった新技術/新機能を追加することで付加価値を生み出すことができます。


      システムのノイズを小さく抑えれば、必要なシールドの量を削減できます。そうすれば、システムの小型化/軽量化が図れます。



      ノイズの低減

      エレクトロニクス技術を使った製品を動作させるには電圧/電流が必要です。そして、電力資源を有効に活用するためには、電力変換の効率を高めなければなりません。そのための有効な方法は、スイッチング周波数の高いDC/DCコンバータを使用することです。しかし、高いスイッチング周波数を使用すると、RF領域でEMI(電磁干渉)が発生するという問題が生じます。EMIのレベルが高ければ、5G無線のネットワークに組み込まれたRFトランシーバーなど、感度の高いデバイスの機能が妨げられてしまうかもしれません。アナログ・デバイセズは、Silent Switcher®技術を適用した電力コンバータの製品群を提供しています。それらの製品は、効率を最大限に高めつつ、高いスイッチング周波数で動作します。しかも、達成可能なEMI性能は業界最高のレベルです。それらの製品を、携帯電話システムで使用されるネットワーク機器に適用すれば、通信リンクの堅牢性を高めることが可能になります。

      5G無線のシステムは、携帯電話とインターネットのサービスを世界中に提供する役割を担います。このシステムを利用することによって、家族、友人、働く人々の間で連絡を取り合うことが可能になります。グローバルにつながりを保てる未来が約束されれば、世界中の人々の生活、学習、仕事、遊びの在り方に大きなインパクトを与えられることは間違いありません。このような目標を達成するためには、5G無線向けのパワー・エレクトロニクス技術を大きく進化させる必要があります。また、この種のシステムは人命にかかわる領域で利用される可能性もあるので、信頼性が非常に重要になります。

      Image shows an emergency worker communicating with a hand-held walkie talkie device, in the background is an ambulance and an emergency worker treating someone inside.
      5G無線をベースとするアプリケーションの多くはミッション・クリティカルなものです。したがって、常時利用できる状態に維持する必要があります。例えば、医療従事者や緊急対応要員の業務は、重要な通信やインシデント・アラートの管理を実現する技術に依存しています。

      データ・センターは、クラウド・コンピューティングのバックボーン

      205TWh
      世界中のデータ・センターが2018年に消費した電力の量
      ノースウェスタン大学マコーミック工学院

      企業や消費者は、オンデマンドで利用できるデータとストレージを求めています。そのニーズは指数関数的に高まっています。この状況に対応するためには、データ・センターで使用できる電力の量を大幅に増加させなければなりません。しかし、電力網システムには既に大きな負荷がかかっています。したがって、電力需要を管理するためには、高効率な電力変換を実現することが非常に重要です。データ・センターによっては、人口8万人の町に匹敵する電力が消費されることがあります。このことからも、パワー・マネージメント技術を進化させなければならないことは明らかです。

      アナログ・デバイセズで電源技術開発/市場開拓担当ディレクタを務めるGary Sapiaは、「そうした膨大な量のデータを処理するためには、先進的なASIC、CPU、GPUが必要です。当社は、そうしたICに対する電力供給に向けて、密度が高く、応答の速いソリューションを提供します。それによって、大きな付加価値がもたらされます」と述べています。

      ASICは、特定の用途向けにカスタムで設計されるものです。最も多くの電力を消費するICは、このASICだと言えます。ASICが消費する電力量は、その制御方法を含めてASIC自体で改善するしかありません。しかし、ASICへの給電方法としてアナログ・デバイセズのソリューションを採用すれば、電力変換を行う際に生じる損失を大幅に削減し、発熱量を抑えることが可能になります。

      Googleによる検索はどのように行われているのか?

      Image shows two very cute dogs laying on the ground. Both are wearing multi-colored sunglasses.

      ここで、Googleに代表される検索エンジンでは、どのような処理が行われているのか考えてみましょう。例えば、「鼻が平たいすべての犬」という文字列を入力して画像検索を行ったとします。それを受けた検索エンジンは、大量の情報を高速に処理します。おそらくは20億にも上る選択肢の中から、あっという間に該当する画像が探し出され、ユーザに結果が提示されます。この作業には、強力かつ特別なプロセッシング・エンジンが必要です。それにより、AIを採用したデータベース管理システムを介して膨大な情報の中から必要なものだけが抽出されます。

      上記の処理に対応するためには、タスクの実行を担う複数のマシンで構成されたネットワークを非常に迅速に立ち上げる必要があります。その際には、消費電力の量が急激に増加します。

      電力が急増するということは、電流が急増するということを意味します。これは、車のアクセルを踏み込むことに似ています。そうすることで、燃料噴射装置が開いてエンジンにガソリンが噴射され、フィニッシュ・ラインを突っ切るのです。つまり、検索ボタンをクリックすると、アクセルが踏み込まれて、多数のサーバに電力という燃料が供給されるということです。世界中の人々のリクエストに対応するには、数多くのマシンに大量の電流を供給する必要があります。しかも、将来的に必要になるということではなく、今すぐに供給しなければならないのです。

      3マイクロ秒
      アナログ・デバイセズのパワー・マネージメント技術を活用したソリューションから数百Aの電流を供給し、ゲートウェイが開くまでにかかる時間。それらのソリューションは、非常に高速な過渡応答を実現します。

      非常に短い時間で電流に対する需要に対応するには、効率が高く、非常に広い帯域で動作する特別なシステムが必要です。アナログ・デバイセズのモノリシックIC技術と独自の結合インダクタ技術を利用すれば、効率の向上と消費電力の削減を実現しつつ、そうした厳しい要件を満たすことができます。

      SWaP:サイズ、重量、消費電力

      Graphic Icon depicts a smaller footprint for data centers.

      フットプリントの低減

      Graphic Icon depicts the Reduced weight for data centers.

      軽量化

      Graphic Icon depicts the increased power and efficiency.

      供給電力の増大、
      効率の向上

      どのような視点から見ても、どこに注目しても、データ・センターや通信の分野においてSWaPに対するニーズがなくなることはありません。

      アナログ・デバイセズは、様々な回路から成るシステム・レベルの製品や接続機能を提供する製品など、多種多様な製品群を提供しています。それらの製品の中には、システムの情報の制御、データの収集や変換、高精度のセンサー、RF対応の無線ソリューション、高効率の電力変換などの管理を担うICが含まれています。例えば、μModule®として知られる製品群は、集積度の高い特定用途向けのモジュール・システム・ソリューションを単一のパッケージの形で提供するものです。また、あらゆる製品について、ディスクリート構成で実現したリファレンス設計も提供しています。

      データ・センターを運営する企業や、ソーシャル・メディア企業、コネクテッド・デバイスのメーカー、クラウド・サービスのプロバイダ、検索エンジン大手などは、持続可能性の実現という難易度の高い目標の達成に向けて取り組みを行っています。なかでも、FAANG(Facebook、Amazon、Apple、Netflix、Google)と呼ばれる米国の主要技術企業は、ハイパースケールのデータ・センターを運営しています。それらは、いわば“超高効率な情報工場”です。それぞれには、最大250万台のサーバが設置されています。10年近くにわたり、各社はコンピュータによる処理の合理化を進めると共に、再生可能エネルギーへの切り替えを図ったり、施設を冷却するためのより良い方法を研究したりといった取り組みを続けてきました。“データの巨人たち”は、資源の消費量を最小限に抑えるという特別な責任を自らに課しているのです。

      電力コストの最小化

      5G無線が登場したこと、またよりデータ・レートの高いシステムが求められるようになったことを受けて、データ・センターの処理能力は天井知らずとも言えるレベルまで向上しています。ただ、標準的なデータ・センターにおいては、電力供給に関連するコストがトータルのコストの半分以上を占めてしまう可能性があります。そのうちの30%~40%は、建物に設置する冷却システムによるものです。つまり、電力供給とシステムの冷却にかかる費用が、運用コストの大きな部分を占めているということです。消費電力の削減を目指すのは、財政の面からも事業の面からも理にかなっていることは明らかです。

      効率の悪い電源システムは、多くの熱を生成します。電源システムの効率が向上すれば、その動作に必要なエネルギー、冷却システムに充てるスペース、ファンやヒート・シンクといった温度管理用のコンポーネントに費やされるコストを少なく抑えられます。データ・センターの消費電力を削減することは、通信事業の運営効率と持続可能性を高めることにつながります。アナログ・デバイセズの技術は、FAANGのサーバの効率を高め、消費電力を削減することに貢献します。

      インテリジェントなパワー・マネージメントにおける4つのベクトル

      Graphic image shows the four vectors of intelligent power management. These include: Fast Transient response, Higher Efficency, Higher Power Density, and intelligent systems management.
      電力に関するイノベーションの方向性は、4つのベクトルで表すことができます。

      通信会社は、極めて多くの電流を必要とする機器に電力を供給する必要があります。そのため、もはや既製のコンポーネントによって、目標とするレベルの節電を達成しようとは思っていません。画期的な素材や小型モジュールを活用することにより、小型で軽量な5G無線への道を切り拓いています。アナログ・デバイセズは、そうした意欲的な目標を達成できるよう支援するために、お客様の要望に応じてカスタマイズしたソリューションを提供しています。その際に注目しているのが、インテリジェントなパワー・マネージメントに関する4つのベクトルです。

      システムのサイズは、肥大化したデータ・センターでも、5G無線のアンテナ塔の頂上でも同じように重要です。電子回路製品についても、金属やプラスチック、その他の資源の使用量を少なく抑えて小型化することが必須です。このことは、持続可能性に関する目標の達成を目指すテクノロジー・リーダーにとって重要な意味を持ちます。

      電源回路の小型化

      サーバ・システムのフォーム・ファクタは、業界全体で標準化されています。一方でASICのスループット性能を高めるためには、電力を大幅に増加させる必要があります。サイズを変更できないという制約があるなかで、スループット容量(情報の処理能力)を高めることは可能なのでしょうか。

      その答えは、「アナログ・デバイセズのエンジニアリングを利用すれば可能である」というものになります。当社は、業界最高レベルの電力密度を誇るソリューションを提供することによって、上記の課題を解決します。先進的なICと独自の磁気部品によって付加価値を高め、スペースを抑えつつ高い効率でより多くの電力を供給可能な製品を提供しています。つまり、当社のイノベーションを活用すれば、定められた設置スペース内に、より多くのコンピューティング容量を持たせることが可能になるということです。

      Graphic image shows the relationship of power circuits with increased computing capacity and increased power.

      先進的な技術

      回路や磁気部品の設計、パッケージ技術、集積化技術などの改善が図られた結果、無線/有線の通信機器でも、より小型な電源システムを利用できるようになりました。アナログ・デバイセズはμModuleという先駆者的な技術によって、業界で最高レベルの電力密度を達成したソリューションを提供しています。μModule製品では、単一の表面実装基板に電源ソリューションを構成する複数のコンポーネントを実装します。それにより、ソリューション全体を単一のパッケージで提供しています。一般的な電源回路は、入力バス電圧をシステムで使用する電圧にダウンコンバートする役割を果たします。そうした回路では、30もの個別部品が使用されることがあります。μModule製品では、それらの部品を1つのパッケージ内に統合しています。つまり、電源回路全体が単一のデバイスとして実現されているということです。これを採用すれば、電源回路の実装面積の縮小、負荷の近くへの配置、設計の簡素化を実現し、システムの性能を最適化することが可能になります。

      半導体の製造プロセス技術の進化に伴って、システムで使われるICの電源電圧は低下しています。その一方で、電流についての要求仕様を見ると、その値が非線形に増加していることがわかります。それに伴い、電源分配ネットワーク(PDN:Power Distribution Network)の抵抗成分に流れる電流は大幅に増加しています。それにより、より多くの損失が生じることになります。この損失により、システムの電力効率が低下し、より多くの熱が発生します。よく知られているように、電力損失は電流の2乗に比例して増加します。したがって、この損失を低減することが最大の課題になります。アナログ・デバイセズのμModule技術は、この課題に正面から取り組むものです。

      求められるスマート・システム・マネージメント

      ピークの運用効率を高めるためには、電源システムの効果的な管理/制御を実現するスマート・システム・マネージメントが必要になります。5G無線のシステムやデータ・センターのサーバ・システムは、最新の技術からのメリットを享受することができます。そうした技術を活用し、運用に関するデータから得られる知見を適用することによって、事業者は時間の経過に従って徐々に効率と信頼性を向上させることが可能になります。AIやスマート・パワーを利用すれば、データ・センターの事業者は電力の使用量を監視し、必要に応じてオンザフライでサーバ・ラックの電源投入/シャットダウンを実行することができます。このことは、消費電力の節減につながります。一方、スマート・システム・マネージメントが適用されていない施設では、ピーク外の時間帯でも、おそらくはサーバが無駄にオンの状態で維持されてしまうことになるでしょう。アナログ・デバイセズのスマート・システム・マネージメント技術を採用すれば、データ・センターにおいて消費電力を最大25%削減することが可能になります。

      安全性と信頼性

      データ・センターを運用するためには、莫大な量の電力が必要です。その電力は、障害に備えて監視/制御しなければなりません。さもなければ、安全性と信頼性を確保することが非常に難しくなるからです。つまり、安全性と信頼性に優れるデータ・センターの運用を保証するためには、システムの監視/制御が必須だということです。アナログ・デバイセズのインテリジェントなホット・スワップ技術は、そのための機能/性能の業界標準を定めるものだと言えます。

      ホット・スワップに対応すれば、入力電流を安全に制御し、コンポーネントに対するストレスを軽減することができます。そうしたストレスは、システムに障害をもたらしたり、コンポーネントの寿命を縮めたりする原因になり得ます。インテリジェントなホット・スワップ技術を採用すれば、障害が発生した際にはシステムに対して警告を発することができます。また、火災などの壊滅的な障害を防ぐために、稼働条件に制限をかけたり、即時のシャットダウンを試みたりすることも可能になります。

      インテリジェントなホット・スワップ技術を利用すれば、ラックにマウントされたボードのレベルで電圧と電流を管理することができます。それにより、ラックやシステム全体のパワー・ダウンを実施することなく、バックアップ・ボード(またはライン・カード)を安全に設置することが可能になります。このことは、個々のユニットによるサービスの信頼性を高め、サービスの中断を最小限に抑えることにつながります。言い換えれば、時間とコストを節約することが可能になるということです。

      アナログ・デバイセズのインテリジェントなホット・スワップを採用したソリューションは、非常に先進的な技術です。これを利用することにより、効率、安全性、セキュリティ、信頼性に優れるシステム運用が可能になります。これらの性質は、大電力を扱うあらゆるデータ・センターの質を表す重要なパラメータになります。

      持続可能性を実現するためのソリューション

      携帯電話によるサービスやインターネットによるデータ・サービスは、世界中の人々にとって、常時ネットワークに接続して情報を入手するための重要な手段となっています。それらの圧倒的な規模により、環境の面でも経済的な面でも非常に大きな効果が生み出されています。先進的なパワー・マネージメント技術は、効率の向上によって持続可能性を高めることに大いに貢献しています。そうした技術が、イノベーションの実現に向けた非常に重要な要素であることは明らかです。

      あらゆるアプリケーション領域において、エネルギーの消費量をより少なく抑え、持続可能性を実現できるソリューションがより強く求められるようになりました。パワー半導体は、その目的の中心に位置しています。但し、技術はあくまでも出発点にすぎません。アナログ・デバイセズは、パワー・エレクトロニクス・システムの設計者を力強く支援しています。その結果、安全性と信頼性の高いデータ・センターや通信システムによるイノベーションが市場にもたらされるようになります。当社は、持続可能な未来という目標が達成されるよう全力を尽くしています。その目標が達成されれば、地球ならびに、そこで暮らす世界中の人々に対して恩恵がもたらされることになるはずです。

      Image shows a clear and colorful representation of the planet  Earth in outerspace including many stars.