大數(shù)據(jù)中心電源和能量使用的情況討論，第四部分

我與 Vicor 的產(chǎn)品營銷和技術(shù)資源公司副總裁 Robert Gendron 就他們的數(shù)據(jù)中心戰(zhàn)略進行了交談。我首先詢問了在他們的架構(gòu)中使用 GaN 的情況;Vicor 已與其他 FET 一起評估了該技術(shù)。

NBM 和 DCM

他們的非隔離總線模塊 (NBM) 是一種雙向固定架構(gòu)，將以 97.9% 的峰值效率將 48V 轉(zhuǎn)換為 12V，很快 Vicor 將推出效率達到 98.5% 的下一代版本。鑒于 NBM 的高密度(在 22.8×17.3×7.4 mm 封裝中提供 800W 連續(xù)輸出功率)，他們有幾種設(shè)計，其中 NBM 放置在 12V 多相穩(wěn)壓器 (VR) 前面的主板上。

他們的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊 (DCM) 是一種 48V 至 12V 的非隔離轉(zhuǎn)換器，支持仍依賴傳統(tǒng) 12V 配電的數(shù)據(jù)中心中的 48V 高性能 GPU，

Vicor 還構(gòu)建了完整的設(shè)備組合，以支持 380V、交流和傳統(tǒng) 12 種負載，從而形成一個 48V 集線器?！凹€器”可在機架內(nèi)實現(xiàn) 48V 或安全超低電壓(SELV) 配電，從而最大限度地減少損耗。從 48V 開始，他們可以通過分比式電源解決方案直接連接到 CPU，包括橫向和垂直電源傳輸方案。他們還可以通過 NBM 和 DCM 產(chǎn)品支持 12V 的傳統(tǒng)多相穩(wěn)壓器，提供 48V 至 12V 的轉(zhuǎn)換。

設(shè)計人員只需很少的設(shè)計修改即可輕松地將 12V 主板修改為 48V 機架使用。雖然它們最初是為高性能計算 (HPC) 使用而設(shè)計的。

垂直供電

隨著 GPU 的電流為 500A 并在未來達到 1,000A，再加上人工智能(在此處了解更多關(guān)于強大的人工智能)和深度學(xué)習(xí)進入數(shù)據(jù)中心處理，我們需要創(chuàng)新的設(shè)計架構(gòu)思維來正確地服務(wù)于這些應(yīng)用程序。

處理器設(shè)計人員正在其架構(gòu)中構(gòu)建如此多的多核，以減少當今 5G、智能家居、智能工廠等應(yīng)用的延遲。現(xiàn)在有 500W 處理器。目標是將所有東西都放入同一個芯片中以減少延遲，出于同樣的原因，他們還希望光耦合器與處理器相鄰。

Vicor 意識到董事會的損失是巨大的。他們認為這超過了電源解決方案中額外 1% 的效率提升。他們觀察 400 μOhm 走線的功率損耗，在 200A 時，電路板本身有 10% 的損耗。即使效率為 99%，在 200A 電流下，電路板跡線 I 2 R 損耗也會損失大量功率。

Vicor 的電流乘法器解決方案是設(shè)計人員為數(shù)據(jù)中心處理器供電的電源架構(gòu)解決方案的另一個絕佳選擇。

上電封裝技術(shù)可實現(xiàn)電流倍增，從而實現(xiàn)更高的效率、密度和帶寬。在封裝內(nèi)提供電流倍增可以將互連損耗降低多達 90%，同時允許回收通常用于高電流傳輸?shù)奶幚砥鞣庋b引腳以擴展 I/O 功能。

處理器附近有“禁區(qū)”區(qū)域，因為噪聲等可能是處理器精度的問題，從而導(dǎo)致錯誤。垂直電源模塊 (VPM) 具有非常低的噪聲拓撲。英特爾大約在三年前進行了一項研究，其中顏色代表紅外圖像中的噪聲，該圖像顯示處理器附近的噪聲水平可接受。

Vicor 說，在多相設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的問題之一是電感器/磁體非常嘈雜。Vicor 在其輸出級不使用電感器，因此噪聲水平很低，這使它們能夠直接接近處理器和 I/O 線路。他們在這些架構(gòu)或測試中從未遇到過噪音問題。

另一個問題是大多數(shù) AI 處理器和其他超高速 GPU 處理器需要訪問處理器芯片周圍的所有四個側(cè)面。數(shù)據(jù)中心和其他電子架構(gòu)一直希望電源幾乎不可見。因此，這些限制給這類架構(gòu)中的電源設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)。

齒輪電流倍增器架構(gòu)

Vicor 最大的努力是垂直供電 (VPD)。他們繪制了客戶對 CPU、GPU 和 ASIC 峰值電流交付要求的圖表。從 2010 年開始，峰值電流發(fā)生了明顯的變化，急劇增加。這是由于 AI 處理能力的擴展以及 14、12、10 和現(xiàn)在的 7nm 的較低處理器制造節(jié)點。

電路板上提供的更多功率意味著更關(guān)注轉(zhuǎn)換器的效率以及功率分配或傳輸中的損耗。隨著功率的增加，一個問題是轉(zhuǎn)換器的尺寸通常會增加，這意味著它們不能放置在處理器附近。這種放置問題會在電路板上產(chǎn)生額外的損耗。

Nvidia SXM3是利用其分解電源解決方案的 AI 處理器的一個很好的例子。這種類型的解決方案可以提供超過 1,000A 的峰值電流。鑒于這些設(shè)備的尺寸和低高度，它們可以比傳統(tǒng)類型的 VR 更靠近處理器。

這些 I 2 R 損失會導(dǎo)致效率低下并產(chǎn)生熱量。他們繪制了 400μOhm 電路板損耗的損耗圖。您可以看到，僅在 200A 電流時，電路板的效率就會降低 10%。

當設(shè)備在橫向配置中使用時，他們的分比式電源解決方案通常會減少 90% 的電路板損耗，就像在 Nvidia 解決方案中一樣。然而，隨著電流的進一步增加，除了減小 VR 的尺寸之外，還需要進一步減少傳輸損耗。VR 的尺寸是一個非常重要的考慮因素，因為隨著處理器消耗更多電流并提高其計算能力，需要增加 I/O 和更快的 I/O。橫向放置在處理器(任何人的 VR)的 VR 可以阻止進出處理器的有價值的網(wǎng)關(guān)。

這就是導(dǎo)致 Vicor 加入 VPD 的原因。它幾乎消除了所有的電力傳輸損失，并且可以在所有四個側(cè)面上不受阻礙地訪問處理器。他們能夠在 VPD VR 中采用他們現(xiàn)在使用了 10 年的相同分解電源架構(gòu)。他們目前的乘法器設(shè)備已經(jīng)從 VTM 發(fā)展到 MCM，現(xiàn)在 GCM 直接放置在處理器下方。他們的 GCM 設(shè)備不僅提供電流傳輸，還包含直接位于處理器下方的關(guān)鍵旁路電容。

Vicor 最近還宣布與京瓷合作，重點介紹他們?nèi)绾翁峁?VR 解決方案，而京瓷如何為客戶提供處理器基板(或封裝)設(shè)計。這種合作使設(shè)計人員能夠快速利用他們的 VPD VR 解決方案。