高性能芯片有哪些特征？

當代 GPU 有數(shù)百億顆晶體管。更好的處理器性能是以指數(shù)級增長的電源需求為代價的，因此人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 等應用的高性能處理器需要不斷增加功率。同時，由于先進的處理器節(jié)點實現(xiàn)了電流的增長，核心電壓正在下降。

在高達 2000A 的峰值電流越來越普遍之際，一些 xPU 公司正在評估多軌方案，將內(nèi)核主電源軌分成五個或五個以上小電流電源輸入。

此外，機器學習工作負載的高動態(tài)性還將導致芯片出現(xiàn)持續(xù)數(shù)微秒的高 di/dt 瞬態(tài)。這些瞬態(tài)會在高性能處理器模塊或加速卡的 PDN 上產(chǎn)生應力。

高性能計算的電流峰值需求水平是多少？

目前的趨勢是處理器的功耗每兩年翻一番。2,000A 的峰值電流現(xiàn)在已經(jīng)很普遍。

限制高性能計算性能進一步提高的因素有哪些？

在大多數(shù)情況下，供電現(xiàn)已成了計算性能的限制因素。如果提供適當?shù)碾娫矗幚砥餍阅苓€能更高。供電不僅涉及配電，而且還涉及供電網(wǎng)絡 (PDN)的效率、規(guī)模、成本和散熱性能。PCB 空間有限，因此高功率密度組件是優(yōu)化 PDN 的最佳選擇。

PDN 不僅會受到功率水平的進一步挑戰(zhàn)，而且還會受到可能產(chǎn)生電壓尖峰的高動態(tài)工作負載的挑戰(zhàn)；這些可能會干擾或損壞精密的處理器。數(shù)量龐大的其它 PCB 組件也需要占用空間，通過電源布線來限制這種情況就變得非常復雜。PDN 還會受 I2R 損耗的影響，這不僅會降低效率，而且如果管理不當還會產(chǎn)生散熱問題。

為什么 AI 或高性能計算的電流難以管理？

人工智能/高性能計算電流難以管理有兩個原因：首先，隨著負載和電流的增加，更大的電流可能很快會導致整個供電網(wǎng)絡中無法支撐的 I2R 損耗。

其次，由于消耗的峰值和空閑電流之間絕對差的增加，應對瞬態(tài)的難度更大。此外，還有更高的 di/dt。

而且還需要大量的外部插座電容器來將負載電流保持在紋波包絡內(nèi)。

48V 為什么是“新 12V”？有哪些挑戰(zhàn)？

挑戰(zhàn)有兩個。首先，為了提高數(shù)據(jù)中心的整體效率，他們正在從 12VDC 電源軌遷移至 48VDC 電源軌。因此，印刷電路板輸入和最終轉換級之間的電流下降為 1/4 ，相應的歐姆損耗（I2R）下降為 1/16 。

與此同時，CPU 內(nèi)核電壓下降到了遠低于 1V 的水平。因此，電源電壓和負載點電壓之間的差距正在擴大，這是這是第二個值得關注的問題，穩(wěn)壓器效率會隨電壓差的增加而降低。

為什么傳統(tǒng)的供電方式不能勝任？

在典型的處理器封裝中，所有電流均被中間內(nèi)核消耗掉了。也就是說，即使穩(wěn)壓器部署在封裝邊緣附近，大電流到達內(nèi)核仍然必須經(jīng)過相當長一段距離。該電流路徑被稱為“最后一英寸”距離，受 PCB 電阻損耗以及寄生電感及電容的影響。

在傳統(tǒng)的多相穩(wěn)壓器方案中，電流越大，相位就越多。由于大多數(shù)多相穩(wěn)壓器為分立式器件，因此電感器和開關必須單獨布局，而且在大多數(shù)情況下，還必須單獨散熱。因此，相位越多，穩(wěn)壓器就越大，會增加處理器附近布局挑戰(zhàn)。

此外，任何使用常規(guī)多相電源解決方案都必須調整尺寸，才能適應不同的峰值電流。相比之下，Vicor 設計只需針對穩(wěn)態(tài)條件進行尺寸調整，因為 Vicor VTM 模塊可針對瞬態(tài)提供 2 倍的額定功率。

如何緩解 AI/HPC 的供電挑戰(zhàn)？

Vicor 分比式電源架構 (FPA) 是針對當前激增的高性能計算需求提供更高效電源的基礎。FPA 將電源轉換器的任務分為穩(wěn)壓和變壓的專用功能。將這兩種功能分開，可對其進行單獨優(yōu)化，以實現(xiàn)高效率和高密度。與正弦振幅轉換器 (SAC) 拓撲相結合的 FPA 支撐了幾個創(chuàng)新的電源架構，解決當前的高性能處理器的電源需求。

Vicor 利用 FPA，可通過專有架構、橫向供電 (LPD) 和垂直供電 (VPD) 最大限度降低“最后一英寸”電阻。在 LPD 中，兩個電流倍增器（Vicor VTM 模塊）位于處理器的上下側或左右側。

垂直供電是在低內(nèi)核電壓下以最低 PDN 電阻提供大電流的終極方式。在這種情況下，電流倍增器直接安裝在處理器正下方。其在這兩種情況下，都能顯著降低最后一英寸損耗。

此外，在極高電流的情況下，還可結合這兩種方法來優(yōu)化 PCB 的使用。

對于 VPD，最終電流倍增器級和旁路電容器可以相互堆疊，形成一個集成型電源模塊（geared current multiplier），可取代旁路電容器組合，直接安裝在處理器下面。

為什么封裝技術對 AI/HPC 供電解決方案很重要？

雖然用于實施高性能穩(wěn)壓器的拓撲和架構很重要，但封裝技術也很重要。Vicor 的 SM ChiP（Converter housed in Package）封裝將無源、磁性、FET 和控制等所有組件都集成在一個統(tǒng)一的器件中。

此外，該封裝經(jīng)過精心設計，能夠以最低的熱阻抗，實現(xiàn)最高效的電流提取，從而可增強散熱性。許多 SM-ChiP 還包括通過器件重要表面實現(xiàn)的接地金屬屏蔽。這不僅有助于散熱，而且還可將高頻率寄生電流旁路，以防止將其傳播到器件外。

如何在 48V 中間母線電源系統(tǒng)中使用原有 12V 單元？

隨著系統(tǒng)功率不斷提高，各數(shù)據(jù)中心正紛紛部署 48V 供電網(wǎng)絡 (PDN)；基于 48V 的架構在保持安全超低電壓 (SELV) 水平的同時，可最大限度提高供電網(wǎng)絡的效率。

因此，開放式計算機項目 (OCP) 正在通過其開放式機架標準 V2.2 為向 48V 過渡提供支持，這不僅可滿足分布式 48V 服務器背板架構的需求，而且還可為 AI 開放式加速器模塊 (OAM) 提供 48V 標準工作電壓。

這些新標準要求 48V 至 12V 與 12V 至 48V 兼容，以便為處理器的原有 12V 背板及 12V 多相位 VR 提供支持。然而，常規(guī) 1/8 及 1/4 開放式框架磚型轉換器非常笨重，無法滿足先進系統(tǒng)的功率密度需求。此外，常規(guī)轉換器拓撲的低效率會降低 48V 的配電增益。

Vicor 推出的全新高密度、高效率模塊解決方案可用于將 48V 至 12V 系統(tǒng)與 12V 至 48V 系統(tǒng)橋接起來。這些固定比率的穩(wěn)壓轉換器以其固有的效率優(yōu)勢實現(xiàn)了 48V PDN 部署，同時減輕了重新設計 12V 傳統(tǒng)系統(tǒng)的負擔。這些轉換器不僅設定了新的功率轉換性能標準，而且還帶來了面向各種應用需求的選項。

數(shù)據(jù)中心的電源使用效率 (PUE) 對高性能計算供電網(wǎng)絡有何影響？

數(shù)據(jù)中心的 PUE 反映了進入數(shù)據(jù)中心的電力有多少用于非計算工作、有多少用于計算機 PDN。

Vicor 如何設計高效的 AI/HPC 供電網(wǎng)絡？

雖然每個設計都各不相同，但 Vicor 會通過有條不紊的七個步驟來優(yōu)化有特定用途的 PDN：

1.了解整個應用。應用的主要功能是什么，哪些與電源相關的功能可以實現(xiàn)進一步提升？

2.看看客戶過去和現(xiàn)在的解決方案，弄清楚我們可以改進的地方。

3.檢索需求（CART 文件）并推薦相應的 PRM 和 VTM。

4.基于現(xiàn)有評估板準備的原理圖和布局。

5.經(jīng)過現(xiàn)場及工廠應用的徹底審核后，客戶制作了一些測試板。

6.然后將這些測試板放在工作臺上，運行多種類型的測試（針對瞬態(tài)、相位/增益裕度等進行環(huán)路調諧）。

7.一旦客戶滿意，我們就會保存上一步的所有設置，然后將信息發(fā)給工廠進行批量生產(chǎn)。

為什么邊緣計算特別具有挑戰(zhàn)性？

邊緣計算的成功取決于適當硬件的可用性；系統(tǒng)能夠經(jīng)濟地提供必要的處理速度和能力，同時還能經(jīng)受在常規(guī)數(shù)據(jù)中心之外遇到的不太穩(wěn)定、不可預測性更大的環(huán)境考驗。

邊緣計算硬件必須包含緊湊、節(jié)能的解決方案，可廣泛部署在空間有限的惡劣環(huán)境中，讓計算更接近傳感器以及其它數(shù)據(jù)源。這些硬件包括供電網(wǎng)絡以及大型的常規(guī)低壓電源解決方案。這些都無法支持邊緣不斷增長的功率密度和小型化，是邊緣計算創(chuàng)新的主要瓶頸。

Vicor 技術如何助力實現(xiàn)邊緣計算供電？

Vicor 技術可用于設計高度可擴展的緊湊邊緣計算資源，其可在惡劣外部環(huán)境中蓬勃發(fā)展。

這些資源不僅可解決較短電氣走線上信號完整性的技術瓶頸問題，同時還可提供極為緊湊的高效率電源轉換以及低功耗散熱與工程設計。除了不受限于設備、靈活和可擴展之外，該系統(tǒng)還具有高性能，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，至少可降低 40% 的能耗。

Vicor 高功率密度、高效率的電源模塊有助于實現(xiàn)散熱良好而且節(jié)能的緊湊固態(tài) EMDC 設計。

以上為中譯

Anish Jacob

HPC 現(xiàn)場應用工程師

Anish Jacob 是 Vicor 公司的首席現(xiàn)場應用工程師，主要專注于數(shù)據(jù)中心和人工智能市場。他畢業(yè)于俄亥俄州立大學和南加州大學并獲學位證書，自 2015 年 4 月以來一直是 Vicor 團隊的重要成員，具有扎實的專業(yè)技術，可為客戶提供尖端解決方案和支持。

審核編輯：湯梓紅