موازنة الطور عبر وحدات الذكاء الاصطناعي: لماذا هي مهمة وما الذي ينجح فعليًا

يبدو أن تغذية ثلاثية الأطوار بقدرة 32 أمبير توفر هامشًا كبيرًا على الورق. 32 أمبير × 400 فولت × √3 = حوالي 22 كيلوواط. هذا يكفي لتشغيل أربعة خوادم Kentino AI ثمانية المعالجات الرسومية بحمل مستمر، مع هامش أمان. فلماذا ينتهي المطاف بنصف مختبرات الذكاء الاصطناعي التي يتم إنشاؤها ذاتيًا بفصل قاطع الدائرة الكهربائية في الشهر الأول؟

غالباً ما يكون السبب هو اختلال توازن الأطوار، أو بالأحرى، انعدامه. الحمل الكلي للخزانة سليم، لكن أحد الأطوار مشتعل.

تتناول هذه المقالة كيفية توزيع الطاقة ثلاثية الأطوار فعليًا عبر رف من خوادم الذكاء الاصطناعي، ولماذا تُجهد أحمال عمل الذكاء الاصطناعي مشكلة التوازن بطريقة معينة، وما يجب فعله على مستوى مخرج وحدة توزيع الطاقة حتى يتوقف قاطع الدائرة عن مفاجأتك.

الرياضيات، باختصار

بالنسبة لحمل متوازن على شكل نجمة مع جهد خط إلى خط V ll وقدرة حقيقية كلية P tot عند معامل قدرة PF:

I_line  =  P_tot  /  (V_ll × √3 × PF)

على خط تغذية أوروبي بجهد 400 فولت ومعامل قدرة 0.98 يحمل قدرة متوازنة 20 كيلوواط: تيار الخط = 20000 / (400 × 1.732 × 0.98) ≈ 29.5 أمبير. يناسب قاطع دائرة 32 أمبير. يحمل كل طور تيارًا مقداره 29.5 أمبير تقريبًا، بينما التيار المحايد قريب من الصفر.

قم بتوزيع نفس القدرة البالغة 20 كيلوواط بشكل غير متساوٍ - 12 كيلوواط على L1، و5 كيلوواط على L2، و3 كيلوواط على L3:

لا يزال إجمالي القدرة 20 كيلوواط. قاطع الدائرة 32 أمبير لا يعتمد على الإجمالي، بل على الطور الذي يفصل أولاً. الطور L1 يعمل بنسبة 165% من قدرة الفصل المقدرة. أما الطوران الآخران فبقيا في وضع الخمول.

لا يقتصر تأثير الحمل غير المتوازن على إهدار السعة فحسب، بل إنه يحول المساحة التي دفعت ثمنها إلى رحلة تنتظر الحدوث.

مشكلة التيار المحايد

تحتوي أنظمة التوصيل النجمي ثلاثية الأطوار على موصل رابع - الموصل المحايد - الذي يُعيد المجموع الاتجاهي لتيارات الأطوار الثلاثة. في حالة الحمل الخطي المتوازن تمامًا، تلغي التيارات الثلاثة بعضها عند فواصل 120 درجة، ويحمل الموصل المحايد تيارًا صفريًا. أما في حالة عدم التوازن، فيحمل الموصل المحايد التيار المتبقي بعد إلغاء التيارات الثلاثة.

تقريب مفيد للتيار المحايد تحت حمل خطي غير متوازن:

I_N  =  √( I_R² + I_Y² + I_B² − I_R·I_Y − I_Y·I_B − I_B·I_R )

في مثالنا 53/22/13 أمبير، يبلغ التيار المار عبر السلك المحايد حوالي 35 أمبير. في لوحة توزيع كهربائية يكون فيها حجم السلك المحايد مناسبًا لتيار الطور المقنن، فإن وجود تيار محايد 35 أمبير على تيار طور مقنن 32 أمبير يُعدّ غير مناسب. أما في لوحة توزيع كهربائية يكون فيها حجم السلك المحايد أصغر من اللازم (كما في التركيبات القديمة، أو أعمال التحديث، أو افتراض توازن الأحمال)، فقد يحدث انصهار للعازل.

خلاصة القول: في أي وحدة توزيع ذكاء اصطناعي جديرة بالثقة، يجب أن يكون سلك التوصيل المحايد بنفس سماكة أسلاك التوصيل الطوري على الأقل، ويفضل أن يكون أكبر منها. سنعود إلى هذا الموضوع في قسم معامل K لأن الأحمال غير الخطية تزيد الأمر سوءًا.

لماذا تُجهد أحمال عمل الذكاء الاصطناعي هذا الأمر أكثر من تكنولوجيا المعلومات التقليدية؟

يحتوي رف الخوادم التقليدي للمؤسسات - الذي يضم خوادم الويب وقواعد البيانات وعددًا من محولات الشبكة - على حمل غير مترابط إحصائيًا بين الأجهزة. يرتفع استهلاك وحدة المعالجة المركزية للخادم "أ" في لحظة، وللخادم "ب" في لحظة أخرى، ويكون المتوسط ​​عبر الرف سلسًا، وينجح التوازن عبر المراحل الثلاث تقريبًا لأن التقلبات العشوائية تلغي بعضها بعضًا.

تُخالف أحمال عمل الذكاء الاصطناعي هذا الافتراض بطريقتين محددتين.

تزامن ارتباط الحمل. يُنفذ التدريب الموزع نفس الخطوة على جميع وحدات معالجة الرسومات في الوقت نفسه. تبدأ عملية المرور العكسي على جميع وحدات معالجة الرسومات الثمانية في الخادم في آنٍ واحد. إذا كنت تُدرّب على أربع عُقد، فإن جميع وحدات معالجة الرسومات الـ 32 تصل إلى مرحلة الاختزال الشامل معًا، ثم تنتقل جميعها إلى المرور الأمامي التالي معًا. لا يُمثل الحمل متوسطًا مُنعمًا، بل هو موجة مربعة بتردد خطوة التدريب، والذي قد يتراوح بين 0.5 و5 هرتز حسب النموذج.

إذا كانت الخوادم الأربعة جميعها على نفس المرحلة، فإن تلك المرحلة تتلقى الموجة المربعة كاملة. أما إذا كانت الخوادم موزعة على مراحل، فإن كل مرحلة تتلقى نفس الموجة المربعة لأن الخطوات متزامنة. لا تعمل موازنة المراحل على تنعيم الأحمال المترابطة، بل تعمل فقط على تسوية المتوسط ​​لكل مرحلة.

الارتفاعات المفاجئة في استهلاك الطاقة خلال دورة التشغيل. تبلغ قدرة بطاقة RTX 5090 الواحدة 575 واط، ولكنها قادرة على تجاوز 738 واط خلال 5-10 مللي ثانية، و824 واط خلال 1-5 مللي ثانية، و901 واط في ذروات تقل عن 1 مللي ثانية. وبالتالي، فإن خادم Kentino AI ثماني وحدات معالجة رسومية يستهلك طاقة مستدامة تتراوح بين 4 و4.5 كيلوواط، مع ذروة استهلاك لكل مللي ثانية قد تتجاوز 7 كيلوواط لفترة وجيزة. يمتص مزود الطاقة وأسلاك المبنى معظم هذه الطاقة، ولكن هذه الارتفاعات المفاجئة في التيار حقيقية وغير جيبية، وتنتقل إلى وحدة توزيع الطاقة الرئيسية.

تتجاهل قواطع الدائرة الحرارية المغناطيسية القياسية التغيرات المفاجئة في التيار الكهربائي دون مستوى الدورة. أما قواطع الدائرة الهيدروليكية المغناطيسية والإلكترونية الحديثة، فلا تفعل ذلك دائمًا؛ إذ يفصل بعضها عند ذروة التيار اللحظية، وليس عند متوسط ​​الجهد الفعال. إذا استمر قاطع الدائرة في الفصل أثناء مراحل تدريب محددة، وكان مستوى التيار ضمن المعدل الطبيعي، فأنت تنظر إلى منحنى التغيرات المفاجئة، وليس إلى المتوسط.

ما يمكن وما لا يمكن أن يفعله توازن الطور

لهذا السبب قد يجد الأشخاص القادمون من عمليات مراكز البيانات التقليدية أنفسهم في مأزق أحيانًا: ففي عالمهم، التوازن هو جوهر العمل. أما في بيئة الذكاء الاصطناعي، فهو ضروري ولكنه غير كافٍ.

استراتيجية موازنة على مستوى المنافذ

يُجرى العمل العملي على مستوى منافذ وحدة توزيع الطاقة (PDU). تحتوي وحدة توزيع الطاقة ثلاثية الأطوار 32 أمبير، المُصممة للتركيب في رفوف 0U، على مجموعات من المنافذ لكل طور. التصميم النموذجي لوحدة توزيع طاقة ذات 30 منفذًا هو: المنافذ من 1 إلى 10 على المستوى L1، ومن 11 إلى 20 على المستوى L2، ومن 21 إلى 30 على المستوى L3. تستخدم بعض وحدات توزيع الطاقة تصميمًا مُخططًا أو مُتناوبًا لتحسين إدارة الكابلات - المنافذ 1 و4 و7 على المستوى L1؛ و2 و5 و8 على المستوى L2؛ و3 و6 و9 على المستوى L3. تستخدم وحدات توزيع الطاقة المُخصصة للإنتاج رموزًا لونية لكل طور.

القاعدة بسيطة ويتم انتهاكها باستمرار: خصص الخوادم بحيث يكون مجموع الأحمال المستدامة على كل مرحلة ضمن نطاق 10% تقريبًا من المراحل الأخرى . بالنسبة للوحدات المتطابقة، يتم استخدام نظام التوزيع الدوري؛ أما بالنسبة للأحمال المختلطة، فيتم استخدام نظام التوزيع المختلط.

مثال عملي: وحدة توزيع طاقة ثلاثية الأطوار 32 أمبير (قدرة تشغيلية 22 كيلوواط تقريبًا، و17.6 كيلوواط مستمر عند 80%). كم عدد خوادم Kentino AI المزودة بثمانية وحدات معالجة رسومية (استهلاك كل منها 4 كيلوواط تقريبًا) التي يمكن تركيبها؟

الميزانية الواقعية: يدعم خط تغذية ثلاثي الأطوار بقوة 32 أمبير في الرف حوالي ثلاثة خوادم ذكاء اصطناعي مزودة بثمانية وحدات معالجة رسومية، وليس ثمانية. أما خادم بأربع وحدات معالجة رسومية بقدرة 2 كيلوواط تقريبًا فيضاعف هذا العدد إلى ستة لكل دائرة.

هذا الأمر يفاجئ معظم مخططي المختبرات. يتلاشى هامش الأمان النظري لدائرة كهربائية بقدرة 22 كيلوواط بمجرد احتساب منحنيات قاطع الدائرة، وذروات التيار العابرة، وتخفيض القدرة بنسبة 80% للحمل المستمر في معظم قوانين الكهرباء.

قياسه - وحدة توزيع الطاقة المزودة بعداد للمخرج

لا توفر لك وحدة توزيع الطاقة الأساسية أي شيء. أما وحدة توزيع الطاقة المزودة بعداد، فتمنحك قيمة التيار الفعال لكل طور عند المدخل. بينما توفر لك وحدة توزيع الطاقة المزودة بعداد عند المخرج قيمة التيار لكل مخرج، وهي الوحدة التي تحتاجها فعلاً.

ماذا تريد ان تشاهد:

• التيار الفعال لكل طور، مع مرور الوقت. معظم وحدات توزيع الطاقة المزودة بعدادات منافذ كهربائية تعرض بروتوكول إدارة الشبكة البسيط (SNMP) أو واجهة برمجة تطبيقات REST؛ يتم جمع البيانات في بروميثيوس، وعرضها بيانيًا في جرافانا، ويتم التنبيه عند 80% من القيمة المقدرة.
• ذروة التيار لكل طور في نافذة أخذ العينات. إذا كشف PDU عن خاصية الاحتفاظ بالذروة، فقم بتسجيلها؛ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فقم بأخذ العينات بمعدل 1 هرتز كحد أدنى.
• نسبة عدم توازن الطور — (الحد الأقصى - الحد الأدنى) / الحد الأقصى عبر المراحل الثلاث. نسبة أقل من 10% جيدة. نسبة أعلى من 25% تعني وجود هدر في الطاقة الاستيعابية.
• التيار المحايدإذا أبلغت وحدة توزيع الطاقة (PDU) بذلك. إذا كانت نسبة التيار المحايد تتجاوز 30% من تيار أي طور تحت الحمل، فهناك خلل إما في التوازن أو في المحتوى التوافقي.

وحدة توزيع الطاقة 32 أمبير هي قطعة واحدة من المعدات. وجود وحدتي توزيع طاقة احتياطيتين 32 أمبير (تغذية A وB) يضاعف كمية البيانات التي تحتاج إلى تتبعها، ولكنه يضاعف أيضًا قدرة تحمل الأعطال؛ ففي حال انقطاع أي من التغذيةين، تبقى الخوادم ذات وحدتي التغذية تعمل، وتتحمل وحدة توزيع الطاقة الاحتياطية كامل الطاقة. في هذه الحالة، يجب أن يعمل كل وحدة توزيع طاقة في رف التغذية المزدوجة بنسبة 40% تقريبًا من طاقتها الاسمية، بحيث يبقى مفتاح التحويل في حالة انقطاع تغذية واحدة ضمن قاطع الدائرة.

التوافقيات وعامل K

كل وحدة تزويد طاقة لخادم الذكاء الاصطناعي هي وحدة تزويد طاقة تبديلية، وهي حمل غير خطي: ​​إذ تسحب التيار على شكل نبضات حول ذروة كل نصف دورة بدلاً من موجة جيبية سلسة. وهذا يُعيد حقن تيارات توافقية في وحدة التزويد، وتكون هذه التوافقيات في الغالب من التوافقيات الثالثة والخامسة والسابعة في الأنظمة أحادية الطور، ومن التوافقيات الخامسة والسابعة والحادية عشرة والثالثة عشرة في أنظمة التوصيل النجمي ثلاثية الطور.

يُعد التوافقي الثالث الأكثر ضررًا في التيار ثلاثي الأطوار: فهو توافقي ثلاثي ، ما يعني أن تيارات التوافقي الثالث من الأطوار الثلاثة تصل إلى نقطة التعادل متزامنة في الطور، وليس بفارق 120 درجة. وبالتالي، تتجمع هذه التيارات حسابيًا. في الحمل الخطي المتوازن، يكون تيار نقطة التعادل شبه معدوم. أما في الحمل غير الخطي المتوازن ذي المحتوى التوافقي الثالث الكبير، فقد يقترب تيار نقطة التعادل من تيار الطور أو يتجاوزه.

لهذا السبب توجد محولات عامل K. محول K-1 هو محول حمل خطي عادي؛ محول K-13 مصمم لتحمل محتوى توافقي كبير؛ أما محول K-20 فهو ما تحدده مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الجادة الآن، لأن مجموعات الذكاء الاصطناعي تقدم حملاً غير خطي بنسبة 100% تقريبًا بدون محركات أو سخانات لتخفيف المحتوى التوافقي.

في مختبر ذي رف واحد، نادرًا ما يمثل هذا مشكلة، إذ أن محول المبنى موجود في الجزء العلوي من النظام ومصمم لتحمل أحمالًا مختلطة. أما في غرفة الذكاء الاصطناعي متعددة الرفوف المضافة إلى مبنى قائم، فاسأل الكهربائي: ما هو تصنيف K للمحول العلوي؟ هل مقطع الموصل المحايد على الأقل بنفس مقطع موصلات الطور (ويُفضل أن يكون أكبر حجمًا)؟ وهل لوحة التوزيع مصممة لتحمل المحتوى التوافقي؟ إذا كانت الإجابات "K-1، نفس مقطع الطور، عام"، فلا بأس برف واحد، ولكن يُنصح بإعادة النظر في الأمر قبل التوسع إلى أربعة رفوف.

مشكلة الصدق في الرفوف نصف الفارغة

يفترض توازن الأطوار وجود حمل كافٍ للتوزيع. لا يمكن تحقيق التوازن في رف يحتوي على خادم واحد وعشرين وحدة فارغة، حيث يكون الخادم موصولاً بالطور الذي تم توصيله به. أما الطوران الآخران فيبقيان غير موصولين، ويحمل السلك المحايد تيار الخادم الواحد بالكامل، بينما يكون تيار التغذية ثلاثي الأطوار 32 أمبير عند 8% من سعته ولكنه غير متوازن تمامًا.

ثلاثة خيارات صادقة:

1. تقبّل عدم التوازن. إنه خادم واحد. يمكن للوحة التحكم استيعابه.
2. خفض التيار إلى طور واحد. يُوفر مصدر طاقة أحادي الطور بجهد 230 فولت وتيار 32 أمبير حوالي 7.3 كيلوواط، وهو مناسب لخادم أو خادمين مزودين بأربع وحدات معالجة رسومية. يتميز هذا النظام بالبساطة، فلا توجد مشكلة في موازنة الأحمال، ولا مشكلة في التوافقيات الثلاثية للخط المحايد. إنه الحل الأمثل لمختبر صغير لا يخطط للتوسع خلال الاثني عشر شهرًا القادمة.
3. خطط مسبقاً، وجهز كل شيء مسبقاً. إذا كنت تخطط لزيادة عدد خوادمك إلى 6 أو 8 خوادم خلال العام المقبل، فقم بتثبيت نظام التغذية ثلاثي المراحل الآن، واحرص على موازنة الطاقة بشكل صحيح مع إضافة المزيد من الخوادم. إن فرق التكلفة مقارنةً بنظام التغذية أحادي المرحلة ضئيل مقارنةً بتكلفة إزالته لاحقًا.

شرح تفصيلي لسيناريو واقعي

مختبر واقعي متوسط ​​الحجم: رفان، و8 خوادم Kentino AI مزودة بثمانية وحدات معالجة رسومية موزعة على الرفين، بالإضافة إلى شبكة ووحدات تخزين ومنصة اختبار Intel-Arc. إجمالي استهلاك الطاقة المستدام حوالي 35.5 كيلوواط (32 كيلوواط لخوادم Kentino AI، و2.5 كيلوواط لمنصة اختبار Arc، و1 كيلوواط للمحولات ووحدات التخزين).

مخطط الدائرة: تقسيم أربعة خوادم Kentino AI لكل رف، كل رف على تغذية ثلاثية الطور 63 أمبير (~43.5 كيلو واط مصنفة، 34.8 كيلو واط مستمرة - مريحة لأربعة خوادم 4 كيلو واط بالإضافة إلى الملحقات).

تخصيص منافذ الرف A:

لكل طور: L1 = 4.6 كيلوواط (20 أمبير)، L2 = 4.2 كيلوواط (18 أمبير)، L3 = 8 كيلوواط (35 أمبير). يوجد عدم توازن - وحدتا Kentino AI تشتركان في L3. مع وجود أربعة خوادم فقط في كل رف، لا يمكن تحقيق توازن مثالي بين الأطوار الثلاثة؛ حيث يستهلك أحد الأطوار دائمًا الطاقة الإضافية. يمثل 35 أمبير على خط تغذية 63 أمبير 56% من التيار المقنن، وهو ضمن قدرة قاطع الدائرة. يجب قبول ذلك. يُطابق الرف B نفس تصميم الخوادم الأربعة المتبقية من Kentino AI ووحدة Arc.

يتم التعامل مع التكرار المزدوج عن طريق إعطاء كل خادم اتصال PSU من النوع A واتصال PSU من النوع B على وحدتي توزيع طاقة منفصلتين فعليًا - انظر W04 لمعرفة كيفية تفاعل هذا مع التسليم المنفصل غير المتكرر على وحدات توزيع الطاقة لخادم الذكاء الاصطناعي.

المراقبة: تُصدّر وحدتا توزيع الطاقة بيانات التيار لكل طور ولكل مخرج عبر بروتوكول إدارة الشبكة البسيط (SNMP). يقوم برنامج بروميثيوس بجمع البيانات كل 15 ثانية، ويعرض برنامج غرافانا اتجاه التيار على مدار 24 ساعة، ويُطلق إنذارًا إذا تجاوز أي طور 80% من التيار المُصنّف لأكثر من 5 دقائق، أو إذا تجاوزت نسبة عدم توازن الأطوار 25% لأكثر من 30 دقيقة. يُعدّ التنعيم أمرًا بالغ الأهمية، إذ أن بدء وإيقاف عمليات التدريب يُؤدي إلى اختلالات مؤقتة في التوازن لا يُمكن اتخاذ إجراء بشأنها.

---

هذا جزء من موسوعة كينتينو، وهي سلسلة مرجعية حول الحوسبة الذكية، والروبوتات، والأنظمة التي تربط بينهما. نرحب بالتعليقات والتصويبات على البريد الإلكتروني info@kentino.com.