不斷增加的計算工作復(fù)雜性和負(fù)載多樣性需要巨大的處理能力。無論是用于云計算數(shù)據(jù)中心還是本地應(yīng)用，新一代處理器都能提高吞吐量、降低時延。然而處理器的發(fā)展需要供電的發(fā)展。因此，電源往往限制了獲得最高處理器性能的能力。

數(shù)據(jù)中心需求旺盛

近期疫情使網(wǎng)上購物、流媒體和居家辦公激增，超大型服務(wù)及零售供應(yīng)商擴大了其產(chǎn)能。但為了更全面地了解數(shù)據(jù)中心的增長，應(yīng)該將其置于其它幾個推動因素的背景下。過去 10 年出現(xiàn)的主要技術(shù)發(fā)展推動趨勢包括物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、人工智能 (AI)、邊緣機器學(xué)習(xí) (Ml)，以及運營技術(shù) (OT) 工作量的指數(shù)增長等。工業(yè) 4.0 等工業(yè)運營性能改善舉措導(dǎo)致 OT 部署大幅度增加。這些因素需要更高的計算功能，但它們也導(dǎo)致了更多樣化、更高要求的工作負(fù)載。

對數(shù)據(jù)中心提供靈活、可擴展的計算基礎(chǔ)架構(gòu)的需求日益增多，這些基礎(chǔ)架構(gòu)能夠支持高動態(tài)工作負(fù)載，從而可提供云計算服務(wù)或本地服務(wù)。最近趨勢要求的一些計算任務(wù)的性質(zhì)包括低時延、峰值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和搜索加速。如現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、圖形處理單元 (GPU) 和神經(jīng)處理單元 (NPU) 等，曾經(jīng)很少在數(shù)據(jù)中心使用的、高度優(yōu)化的專業(yè)處理器件，現(xiàn)已變得非常普遍。此外，集群 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推斷引擎等新一代專用集成電路 (ASIC) 也需要完成高性能計算任務(wù)。

處理器技術(shù)的進步幫助高性能計算推動了任務(wù)吞吐量的發(fā)展，從而可提供靈活性以適應(yīng)更多的工作負(fù)載多樣性。然而，技術(shù)的增益通常取決于同步發(fā)展的系統(tǒng)的其它方面。

技術(shù)趨勢提高計算性能

加劇散熱挑戰(zhàn)

在半導(dǎo)體行業(yè)，變化是不可避免的。一種更小的全新硅芯片工藝節(jié)點投入生產(chǎn)，下一次迭代也就不遠(yuǎn)了。更小幾何尺寸允許在給定空間中構(gòu)造更多單獨的半導(dǎo)體門。雖然 65nm 和 55nm 工藝節(jié)點仍然和往常一樣，主要用于許多集成電路 (IC)，但 ASIC、FPGA、GPU 和 NPU 等高性能計算器件一般基于 12nm 以下的工藝節(jié)點，因此 7nm 和 5nm 工藝節(jié)點越來越受歡迎。客戶已經(jīng)在排隊購買使用 3nm 工藝節(jié)點的先進高性能處理器。

通過縮小單個門的尺寸來增加其密度，凸顯了管理新處理器熱特征的限制。降低柵極工作電壓時，一個被稱為電壓縮放的過程有助于減少每個晶體管的散熱，但整個封裝的熱管理仍然至關(guān)重要。

高性能處理器一般會在其最大時鐘速率下運行，直到熱限制需要將其限制回來為止。電壓縮放顯示，最復(fù)雜的 5nm 工藝節(jié)點器件的核心電壓降至 0.75V ，預(yù)計 3nm 工藝節(jié)點的核心電壓將進一步降至 0.23V。讓供電挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻的是，許多器件需要多個不同電壓并精心排序，以避免永久性損壞。

前沿 GPU 通常有幾千億顆晶體管，因此電流需求已變得很大，達(dá)到了數(shù)百安培。對于集群 AI 處理器而言，1000A 的需求并不罕見。目前的趨勢是處理器的功耗每兩年翻一番（圖 1）。

向這種高功耗器件供電的另一個方面是：其工作負(fù)載可在一微秒內(nèi)發(fā)生變化，這可能會在整個供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 中產(chǎn)生巨大的瞬態(tài)。

圖 1：在大型計算系統(tǒng)中，供電和電源效率已成為最受關(guān)注的問題。隨著處理復(fù)雜 AI 功能的 ASIC 和 GPU 的出現(xiàn)，整個行業(yè)的處理器功耗已大幅提升。隨著 AI 性能用于大規(guī)模學(xué)習(xí)及推斷應(yīng)用部署，機架功耗也隨之增加。在大多數(shù)情況下，由于新 CPU 需要消耗的電流越來越多，供電現(xiàn)已成了計算性能的限制因素。供電不僅涉及配電，而且還涉及效率、規(guī)模、成本和散熱性能。

供電挑戰(zhàn)

我們強調(diào)過，半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進步，為 PDN 帶來了幾個具有挑戰(zhàn)性的條件。但并不是所有這些都是技術(shù)性的。例如，這些前沿處理器件的物理尺寸將占用相當(dāng)大比例的可用電路板空間。復(fù)雜的是，電路板空間通常受限于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外形。

隨著電路板尺寸的限制的加劇，高性能計算器件的本質(zhì)要求支持各種 IC，例如靠近處理器布置的存儲器和光信號收發(fā)器等。此外，由于流耗的劇增以及核心電壓的降低，這種方法也適用于負(fù)載點 (PoL) 電源穩(wěn)壓器。大電流 PCB 布線電路的影響會產(chǎn)生 I2R 損耗，清晰可辨的壓降完全能對處理器性能產(chǎn)生影響，甚至更糟糕的是：會帶來不穩(wěn)定的行為。此外，PoL 穩(wěn)壓器也需要高功率效率，才能進一步防止熱管理并發(fā)癥（圖 2）。

圖 2：VPD 進一步消除了配電損耗和 VR PCB 電路板面積的消耗。VPD 與 Vicor LPD 解決方案設(shè)計類似，在電流倍增器或 GCM 模塊中增加了對旁路電容的集成。

電路板空間有限加上將穩(wěn)壓器靠近處理器安裝的需求，帶來了架構(gòu)網(wǎng)絡(luò) PDN 的全新創(chuàng)新方法。

為處理器供電

PDN 成為限制因素

隨著處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，架構(gòu)高效 PDN 將為電源系統(tǒng)工程師帶來三項相互關(guān)聯(lián)的重要挑戰(zhàn)。

▼ 增加電流密度

領(lǐng)先的高性能處理器可消耗數(shù)百安培的電流。為處理器提供足夠的電源容量不僅涉及布置負(fù)載點轉(zhuǎn)換器的位置的物理約束，而且還涉及將電源從邊緣連接器導(dǎo)入轉(zhuǎn)換器的 PCB 布線的復(fù)雜抉擇。由極為動態(tài)的工作負(fù)載引起的高電壓瞬態(tài)，可能會干擾其它系統(tǒng)組件。

▼ 提高功效

影響電源效率的因素有兩個：I2R 損耗和轉(zhuǎn)換效率。PCB 路徑對低壓信號和數(shù)字邏輯走線連接是理想選擇，，但對于大電流而言，無論多短，它們可能都代表顯著的電阻損耗。這些 I2R 損耗會降低提供給處理器的電壓，并引起局部發(fā)熱。處理器卡上有數(shù)百個其它組件，所以電源走線的大小是有限制的，因此盡量靠近處理器布置轉(zhuǎn)換器是唯一可行的替代方案。

轉(zhuǎn)換器的功效是其設(shè)計的一個屬性。開發(fā)高效 PoL 轉(zhuǎn)換器是一項專業(yè)技能，涉及一種迭代方法，以了解從無源器件到半導(dǎo)體每個組件）的損耗。我們之前已經(jīng)強調(diào)過，損耗表現(xiàn)為需要消散的熱量。PoL 轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計人員運用他們的設(shè)計專業(yè)技術(shù)和專業(yè)知識優(yōu)化模塊的內(nèi)部設(shè)計，以實現(xiàn)等溫封裝。

▼?讓 PDN 保持簡潔

面對 PDN 的挑戰(zhàn)，一些電源架構(gòu)師可能會選擇為處理器創(chuàng)建一個分立式 PoL 轉(zhuǎn)換器，以便精心定制 PDN。然而，盡管這可能是一種可行的解決方案，但它實際上增加了復(fù)雜性。分立式設(shè)計會增加物料清單 (BOM)，帶來采購更多組件的需求以及相關(guān)物流成本和供應(yīng)鏈成本。此外，這種方法還需要更多的工程設(shè)計工作，增加無法收回的支出 (NRE)，并延長開發(fā)和測試時間。相反，模塊化方法經(jīng)過精心設(shè)計，可優(yōu)化高性能處理器的電源。散熱良好的集成型電源模塊可顯著簡化電源設(shè)計，從而可減少 BOM，增加修改的靈活性，并可促進開發(fā)。電源模塊緊湊、功率密集并可輕松縮放。

應(yīng)對高性能計算供電挑戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)化方法

為了應(yīng)對當(dāng)前常見的 PDN 挑戰(zhàn)，Vicor 提供了兩種符合今天最常見情況的方案。

▼ 橋接原有系統(tǒng)

將 12V 系統(tǒng)連接至 48V 系統(tǒng)。對于需要更高效率以及更多電源的原有系統(tǒng)，Vicor 提供了一種使用雙向 NBM 非隔離母線轉(zhuǎn)換器的簡單選項。NBM 可在 48V 與 12V 之間實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，因此既可將原有電路板整合在 48V 基礎(chǔ)架構(gòu)中，也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機架中（圖 3）。

圖 3：將 12V 系統(tǒng)連接至 48V 系統(tǒng)。對于需要更高效率以及更多電源的原有系統(tǒng)，Vicor 提供了一種使用雙向 NBM 非隔離母線轉(zhuǎn)換器的簡單選項。NBM 可在 48V 與 12V 之間實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，因此既可將原有電路板整合在 48V 基礎(chǔ)架構(gòu)中，也可將最新 GPU 整合在原有 12V 中。

▼?48V 至 PoL 供電

48V 至負(fù)載點。Vicor 合封電源 (PoP) 解決方案可將主板電阻降低至 1/50，將處理電源引腳減少至1/ 10。利用分比式電源架構(gòu) (FPA)，Vicor 可通過兩種專利解決方案,即橫向供電 (LPD) 和垂直供電 (VPD),最大限度減少“最后一英寸”電阻。這兩種解決方案可幫助處理器實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的性能，為當(dāng)前呈指數(shù)級增長的 HPC 處理需求提供支持。

對數(shù)據(jù)中心、邊緣計算以及物聯(lián)網(wǎng)的需求并沒有減弱。大數(shù)據(jù)需要的處理速度是前所未有的。當(dāng)前的最高處理速度在 9 個月后將變得太慢，供電將再次成為焦點。尋找提高吞吐量并縮短時延的新方法是一項長期挑戰(zhàn)。確定一個高度靈活的可擴展解決方案，是完成這道難題的最后一步。這將最大限度減少重新設(shè)計的次數(shù)，并簡化未來的修改。模塊化方法適應(yīng)了當(dāng)前及未來高性能計算的所有方面。

本文最初由 ?Power Semiconductors?發(fā)表

以上為中譯

Doug Ping

Vicor 高級首席應(yīng)用工程師

Doug Ping 在電源行業(yè)擁有超過 26 年的豐富設(shè)計及應(yīng)用工作經(jīng)驗，在 Vicor 已工作 21 年。自 2007 年以來，他一直專注于數(shù)據(jù)中心和自動駕駛汽車應(yīng)用的電源解決方案。??

編輯：黃飛

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