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[導讀]對于大型數(shù)據(jù)中心來說,隨著算力的巨幅提升,電流也在迅速增長。這種增長態(tài)勢之下,48V架構因其多重優(yōu)勢,被諸如谷歌這種巨頭所采用。作為48V架構專家的Vicor為記者詳細介紹行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與其深耕多年的成果。

“未來幾年,我們能夠看到48V架構會出現(xiàn)在云計算、高性能計算以及廣泛的市場概念應用范圍內的AI領域等應用中”,Vicor市場經(jīng)理孟令沖在OCP CHINA DAY 2021大會期間這樣為記者介紹。

半導體行業(yè)發(fā)展迅猛,其中算力幾乎是肉眼可見。行業(yè)正急速靠近摩爾定律的瓶頸,為了繼續(xù)增強算力,近年算力巨頭紛紛推出XPU產(chǎn)品,數(shù)據(jù)和計算量都正在指數(shù)級增長。

對于大型數(shù)據(jù)中心來說,隨著算力的巨幅提升,電流也在迅速增長。這種增長態(tài)勢之下,48V架構因其多重優(yōu)勢,被諸如谷歌這種巨頭所采用。作為48V架構專家的Vicor為記者詳細介紹行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與其深耕多年的成果。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

低電壓大電流下的兩個挑戰(zhàn):從12V到48V

“低電壓和大電流的行業(yè)趨勢會電源設計帶來挑戰(zhàn)性”,Vicor高級工程師楊周這樣為記者介紹。

他展示了一組數(shù)據(jù),自2000至2021年,CPU、GPU、ASIC、FPGA等XPU的工作電流產(chǎn)生明顯上升的趨勢,這種上升趨勢源自算力的上升,與此對應的工作電壓便是緩慢下降的過程。目前,這種趨勢已觸及交匯點,2021年工作電流大約在1200A,工作電壓約為0.8V。

然而,趨勢并非可逆的,這是因為電流和電壓變化趨勢跟隨著晶圓制造的進程而變化的,即12nm-10nm-7nm-5nm-3nm的變化下單位面積下晶體管數(shù)量越來越多,對應的晶體管承受電壓率越低,這種趨勢還會持續(xù)向下走。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

在這種電壓繼續(xù)下降、電流繼續(xù)上漲的情況下,對于電源設計的挑戰(zhàn)是持續(xù),而且是越來越有挑戰(zhàn)的。具體來說,會帶來兩個方面的挑戰(zhàn):

1、“最后一英寸”(Last inch)

據(jù)介紹,傳統(tǒng)12V供電架構下,服務器板的負載點與 XPU 之間的“最后一英寸”(包括主板PCB以及 XPU 插座內的互聯(lián))已成為限制 XPU 性能和總體系統(tǒng)效率的一個因素。雖然毗鄰XPU放置的大電流負載點電源架構可降低主板內的配電損耗,但無法解決 XPU 和主板之間的互連難題。

楊周繼續(xù)補充說明:“假若工作電流還在200、300A時,大概計算出來的FIR也只有20、30W,相對幾百瓦的CPU來說可以忽略不計。但在電流急劇上漲到1000A時,損耗能到達400W,而這種損耗是純粹的PCB損耗。在損耗之下,系統(tǒng)的供電效率會降低到50%以下,這種系統(tǒng)效率之下基本可以宣告設計失敗?!?

“如果整個系統(tǒng)轉換到48V,效率將會提高30%”,楊周表示,這也是云數(shù)據(jù)中心提供商紛紛將內部電源總線升級為48V的重要原因。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

2、PCB空間的局限性

雖然性能和算力一直在提升,但業(yè)界普遍需求PCB板不變甚至縮小。在這種情況下,CPU/GPU和連接器占據(jù)了板子一半空間,內存作為算力比拼的核心占用空間也越來越大,網(wǎng)絡交換處理器和高速收發(fā)器設計方案占用空間也越來越大。

需要注意的是,在集群計算中,PCB空間更加緊張。這種方案已經(jīng)到達晶圓級/PCB級的XPU切割,這種情況下的互連更加方便。但這種PCB空間下無疑是對電源設計的更大的挑戰(zhàn)。

據(jù)介紹,傳統(tǒng)的12V電源會占用更多的PCB面積,在散熱方面要求更高,假若不能滿足電源需求,則很可能會限制CPU的工作性能。因此,這也是將電源總線升級為48V的另一個重要推動力。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

Vicor的48V解決方案:為客戶提供兩個選項

上文也有講到,在面對低電壓大電流挑戰(zhàn)下,從12V轉到48V系統(tǒng)結構是提高效率的重要解決方式。作為最先推出48V至負載點模塊的廠商,Vicor的數(shù)據(jù)中心供電方案已經(jīng)贏得了包括NVIDIA、英特爾、寒武紀、天數(shù)智芯、谷歌等在內的多家客戶,大規(guī)模應用于從48V直接為XPU供電的主板中。之所以廣受青睞,這是因為Vicor在48V系統(tǒng)架構上擁有諸多創(chuàng)新。

在面對“最后一英寸”(Last inch)和PCB空間受限的低電壓大電流挑戰(zhàn)之下,Vicor選擇采用分比式電源架構(FPA)取代傳統(tǒng)多相位穩(wěn)壓器以優(yōu)化整體方案。

Vicor的分比式電源架構將功率轉換分解為單獨的穩(wěn)壓和變壓功能,這些功能可以單獨優(yōu)化,最大限度提高性能。穩(wěn)壓模塊可部署在主板上的任何位置,而重要電流輸出模塊電流倍增器則可針對密度、效率和低噪聲進行優(yōu)化,并可部署在非常接近處理器的位置。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

依托分比式電源架構能夠將供電轉化模塊做得非常小、非常薄,這種模塊可以直接從原來的PCB板子上貼在XPU上,消除“最后一英寸”。并且,方案均兼顧高功率密度、高效率、高瞬態(tài)性能和低噪音的特點。

在分比式電源架構的基礎上,Vicor憑借在封裝創(chuàng)新方面的豐富經(jīng)驗和技術優(yōu)勢,又針對高性能、大電流的XPU處理器推出了PoP(Power-on-Package)模塊化電流倍增器(MCM)。相比傳統(tǒng)的供電方式,其典型的PDN電阻可降至50μΩ。目前,Vicor的電流倍增器已經(jīng)被大規(guī)模用于從48V直接為XPU供電的主板中。

Vicor的分比式電源架構提供兩種完美的模塊化電源方案選項,一種為橫向的電源方案,一種為垂直的電源方案,兩種方案將根據(jù)處理器電流進行劃分。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

1、橫向(Lateral)方案:橫向供電 (LPD)合封電源

LPD電源模塊中的MCM(轉換模塊)安裝在XPU側面,可減少PDN損耗和服務器電路板層數(shù),提高瞬態(tài)性能,將峰值電流容量擴展到1000A以上,而且還可讓PDN電阻銳降50倍。將MCM布置在基板上,不僅可最大限度降低PDN損耗,而且還可減少電源所需的處理器基板BGA引腳。

LPD旨在支持OCP加速器模塊(OAM)卡及定制AI加速器卡的供電需求和獨特封裝。這種設計有效降低了包括主板PCB以及XPU插座內的互聯(lián)等負載點與XPU之間“最后一英寸”的能耗,進一步提升了XPU的系統(tǒng)效率。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

2、垂直(Vertical)方案:垂直供電 (VPD)合封電源

VPD主要應對的是極高的處理器電流,VPD設計結構將MCM直接部署在XPU底部。這種垂直結構通過回收XPU周圍寶貴的空間,最大限度降低PDN損耗,集成PoL電容,最大限度提高系統(tǒng)效率和XPU性能。與LPD相比,這可將PDN電阻再降低達10倍之巨。

垂直供電的另一項優(yōu)勢是為高速I/O和存儲器開放了上層PCB的電路板面積。VPD采用與VicorLPD解決方案類似的電流倍增器,但將通常部署在處理器下方的高頻率旁路電容集成在與MCM連接的變速器封裝中。此外,該變速器還允許對從MCM的輸出引腳到處理器電源引腳的間距進行必要的修改,其輸出電源引腳也與處理器或ASIC的電源映射相匹配,可最大限度提高性能。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

Vicor對48V系統(tǒng)的理解:以創(chuàng)新為基因

通過上述的Vicor方案不難看出,48V直接為XPU供電的優(yōu)勢巨大,而Vicor在此基礎上憑借分比式電源架構(FPA)和電流倍增器(MCM)劃分為橫向供電 (LPD)和垂直供電 (VPD)兩種方案。

反觀整個行業(yè),實際上48V供電已經(jīng)被市場所接受了,是市場既定的趨勢。48V供電不僅在數(shù)據(jù)中心大放光彩,同時在汽車、ATE、高性能計算上也廣受認可。

“48V的方案最早的是從IBM和谷歌發(fā)布的,接著歐洲和美國也進行了發(fā)布。而后國內OCP也開始布局,諸如OpenRack3.0方案。從12V到48V轉換是行業(yè)的趨勢,這已經(jīng)成為行業(yè)巨頭廣為關注的關鍵的架構”,Vicor中國銷售總監(jiān)、數(shù)據(jù)中心及超級計算負責人陳新軍如是說。

孟令沖對記者介紹,電源的功率密度和電流密度從過去到現(xiàn)在發(fā)生了天翻地覆的變化。2012年-2019年間,功率密度從每立方英寸0.8千瓦提高到10千瓦,負載點電流密度從0.8A增長到2A。從更長遠的時間點來看,1984年至2021年間,電源密度提升則高達500倍之多。之所以取得如此重大進步,48V領域對于演進給予了大力的支持。

“誠然,48V是現(xiàn)在的方向,但傳統(tǒng)服務器中90%還是12V系統(tǒng),另外一些服務器還是需要48V和12V混搭方案的”,因此在圍繞48V方面上,Vicor是這樣劃分數(shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品的:

1、48V至負載點模塊:即上述的橫向供電 (LPD) 合封電源與垂直供電 (VPD)合封電源兩個方案。

2、48V與12V的橋接:主要為廠商提供12V和48V間轉化的模塊產(chǎn)品,其中NBM2317是典型方案,NBM2317采用不足3.3立方厘米的封裝,提供48V至12V雙向轉換,在750W穩(wěn)定功率和1kW峰值功率下,支持98%的峰值效率。

3、高壓DC模塊和AC/DC直流電模塊:傳統(tǒng)電源方案還是Silver Box,Vicor認為這種技術功率密度的提升速度較慢,其方案也進行了創(chuàng)新。

高壓DC模塊上Vicor的BCM6135轉換器是隔離的架構,在將高壓電源連接至SELV配電時可提供必要的保護,其峰值效率超過97%,并且在額定電流超過30%的情況下工作時,效率超過96%。產(chǎn)品具有260到410V的輸入范圍和1/8的固定比率轉換,能夠提供與48V配電兼容的輸出。

AC/DC模塊PFM9280是可實現(xiàn)5kW功率輸出,而其大小僅相當于iPad的面積,并支持并聯(lián)。PFM是市場上最纖薄的AC-DC解決方案。VicorVIA封裝使設計者能夠高效地將電源封裝到系統(tǒng)散熱管理解決方案內。“傳統(tǒng)220V轉12V轉48V,但為了實現(xiàn)更高電源密度,應該轉向三相380V供電系統(tǒng)”,楊周如是說。

數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下,48V架構才是“正道”

“Vicor自1981成立已有40年歷史,公司以創(chuàng)新為基因,研發(fā)費用占每年營收16%左右,擁有170個專利,在配電網(wǎng)絡、控制系統(tǒng)、組件、封裝方面均有許多創(chuàng)新”,陳新軍向記者介紹,Vicor的創(chuàng)新在四大方面,分別是創(chuàng)新架構、獨特的控制系統(tǒng)、先進的拓撲、專有的組件及封裝。

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