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为高性能计算提供强大动力

文章作者 Paul Yeaman
应用工程高级总监

Processor PDN image

分比式电源架构帮助新一代处理器充分发挥其潜能

高性能处理器在压摆率急剧上升的情况下,需要更高的稳态和峰值电流,而在高速 I/O 的数量不断增加时,工作电压将会降低。这一趋势正在加剧,不断为电源系统设计人员带来确保在供电网络 (PDN) 中以低损耗形式为处理器内核提供足够电源的挑战。

使用多相降压稳压器的常规方法挑战性越来越大,跟上时代发展的步伐需要制定一种全新的方案。

Vicor 分比式电源架构 (FPA™) 与通用多相位方法不同,它能够以独特的方式解决全新处理器技术的 VR 开发所面临的各项挑战。此外,FPA 还支持横向供电 (LPD) 和垂直供电 (VPD) PCB 部署选项。VPD 解决方案可将损耗锐降 95%,并可通过释放 100% 的处理器周边空间来消除瓶颈。

电源需求翻倍

先进的 GPU 和专用人工智能处理器正在推动人工智能 (AI) 的快速发展,这些处理器采用最先进的 7 纳米、5 纳米硅工艺节点,并迅速向 3 纳米靠近。这些工艺节点的额定核心工作电压目前在 0.75V 到 0.85V 之间。为了达到 AI 要求的性能工作负载,额定流耗增大了,电流超过了 600A 的稳态电流和 1000A 的峰值电流。这一趋势比两年前增长了两倍,而且这一增长速度还在继续。

电压的降低和电流的增加带来了两个问题。首先,电流的增加加剧了主板 PCB 的铜损耗,因为连接 VR 和处理器的铜箔层和通孔电阻有限。增加处理器电流将以电流的平方增加损耗,而降低效率将为处理器热管理系统带来大量额外的热量。其次,PDN 上的压降与电流的增加成正比。核心电压下降时,该压降的效应将对处理器性能产生巨大影响。

例如,100μΩ 线迹的 400W 核心负载会在 1V 电轨上产生 4% 的下冲,而该核心负载则会在 0.75V 电轨上产生 7% 的下冲,几乎增加了 2 倍。供电网络的物理限制使得降低这类电阻的选项非常有限。为主板添加铜箔层或增加铜箔厚度,将降低电阻,但在 0.75V 电压下会实现相同的 4% 的压降,线迹电阻不得不锐减近一半。由于成本或物理限制的原因,通常无法将铜箔数量增加一倍,以承载大电流。

简而言之,最好的解决方案是将 VR 布置在离处理器更近的地方。

虽然听起来很简单,但实施起来很复杂。首先,具有信号完整性挑战。将硬切换多相 VR 靠近处理器,会带来 VR 所具有的固有噪声。所需分散相数进一步增加了问题的复杂性。

第二个挑战是 VR 的封装。典型的处理器封装尺寸为 60 x 60 毫米。虽然这看起来很大,但需要注意的是,该区域的大部分空间都是 I/O 专用的。所有热量都是在内核中产生的,所有的大电流都必须为其找一个路径。

Processor PDN image

图 1:典型的处理器封装尺寸均为 60 x 60 毫米,以红色显示。所有电流均由中间的内核消耗。通往内核的路径中的 PCB 电阻损耗和寄生电容/电感是被称为”最后一英寸“的难点,也是确保处理器性能最大化的限制因素。

这意味着,即使 VR 布置在封装边缘的附近,仍有一个大电流必须流向内核的有效距离。在典型 VR 方案中,电流越大,相位就越多。由于大多数多相 VR 为分立式器件,因此电感和开关级必须单独布置,在大多数情况下,还必须单独散热。因此,相位越多,VR 就越大,其可增加靠近处理器布置的挑战性。

分比式电源架构刷新电源效率标准

分比式电源架构 (FPA™) 基于将电源转换器分为两大主要功能、分别对每个功能进行优化,然后按一个系统实施这些功能的基本原理。这两个功能是稳压和电流倍增。

稳压

稳压器的效率与所执行的工作成反比:工作越多,效率越低。稳压器输入输出电压越接近,所做的工作就越少、效率就越高。FPA 可凭借其在系统中的位置,最大限度降低稳压器输入至输出之间的压差。PRM™ 稳压器采用零电压开关 (ZVS) 升降压拓扑实施,在输入输出压差很小的情况下,具有高效率。零电压开关可显著降低开关损耗,因此不仅可实现高频率工作,而且还可大幅缩小转换器尺寸。PRM 通常将输入电压稳定在 40 至 60V 之间,输出电压稳定在 30 至 50V 之间。

电流倍增

PRM 之后是执行降压与增流功能的第二阶段。这是在一个名为 VTM™ 电流倍增器的器件中使用正弦振幅转换器拓扑实施的。VTM 的性能可按理想变压器实现,其中输入输出电压之间有固定比例的关系,器件阻抗在 1MHz 以上保持为低(几百微欧)。

VTM 中没有能量存储,因此,如果散热良好,它可提供大量的电源。这可将 VTM 的电源容量与处理器的散热功能相匹配。PRM 和 VTM 都是 FPA 的构建块。

PRM/VTM FPA image

图 2:PRM 和 VTM 都是 FPA 的构建块。根据系统输入电压范围和电源要求选择 PRM 并根据输出电压范围和电流要求选择 VTM。PRM 可安装在系统中任何便捷的地方,而 VTM 则应该安装在尽量靠近处理器内核的位置。

一个专门稳压,而另一个则专门变压。

SM-ChiP 封装不仅可降低噪声,而且还可增强散热

虽然用于实施高性能稳压器的拓扑和架构很重要,但封装技术也很重要。Vicor 的 SM ChiP™ 封装将无源、磁性、FET 和控制等所有组件都集成在一个统一器件中。此外,该封装经过精心设计,能够以最低的热阻抗,实现最高效的电流提取,从而可增强散热。此外,许多 SM-ChiP 还包括器件重要表面的接地金属屏蔽。这不仅有助于散热,而且还可本地化高频率寄生电流,以防止将其传播到器件外。

PRM/VTM FPA solution

图 3:在 AI 加速卡上支持主电轨电源的典型 PRM/VTM 分比式电源架构解决方案。将 VTM 布置在插座两对面,不仅可将流经供电网络进入处理器的电流分成两半,而且还可将损耗锐降 50%。

横向供电将 PDN 损耗锐降 50%

为了给广泛的应用实施方案提供高度的灵活性,Vicor 开发了 PRM 和 VTM,其所提供的功率级粒度可为降低 PDN 损耗实现高度的灵活性。例如,将单个较大电流的 VTM 按两个较小的较小电流 VTM 实施,允许将其布置在处理器插座的两对面。这可将供电网络的损耗锐降 50%,从而可将电流分成两半,并可为核心区域增加一条独立的路径。

为 2.8 毫米时,VTM 比大量机械处理器支持元件薄,如封装插座、加强筋以及散热器附件硬件等。将 VTM 布置在这些元件下,可使其与处理器热管理系统耦合,无需专用 VTM 散热器,同时可通过将电流倍增器布置在更靠近内核的位置,降低供电网络的损耗。

Multiphase VR image

图 4:在典型的多相位 VR 中,相位感应器的高度通常会限制相位感应器与处理器的距离,而且 DRMOS 级需要单独的散热。纤薄的 VTM 有助于将其移到处理器散热片及相关硬件之下,而 PRM 则可在不影响性能的情况下,布置得更远一些。

这些都是横向供电 (LPD) 的示例。在 LPD 中,电流倍增器位于主板的处理器侧,电流会从 VR 横向流入处理器。因此,这会产生固有的损耗,无论电流倍增器与处理器内核距离有多近,都是不可避免的。

垂直供电 (VPD) 是应对这种固有损耗的解决方案。在 VPD 中,电流倍增器位于处理器的背面,也就是它的正下方。

Vertical power delivery (VPD) with GTM image

图 5:垂直供电 (VPD),将 GTM 类似齿轮传动电流倍增器布置在处理器下方,可最大限度提高供电性能。此外,VPD 解决方案还可为更高的 I/O 路线、板载内存或更紧密的处理器集群等多种选项减轻处理器顶部外围的压力。

缩短电流通过主板的距离,可显著降低 PDN 损耗。VPD 需要两个关键特性来实现该功能。

首先,处理器正下方的区域通常提供有高频率电容器,这是为来自系统其余部分的极高频率电流(超过 10MHz)去耦所必需的。其次,为了最大限度提高效率,输出 VPD 解决方案的电流的物理位置和模式必须准确镜像处理器内核电源输入的位置和模式。这有助于大电流实现真正的“垂直”轮廓。

为实现这些特性,Vicor VPD 解决方案还包含使用齿轮箱实现的 VTM 电流倍增器,因此支持 GTM™ 类似齿轮传动电流倍增器。齿轮箱有两种功能:它包含高频率去耦电容,可将来自 VTM 的电流重新分配给镜像其上处理器的模式。GTM 中 VTM 阵列的大小主要由处理器输出电流要求来决定,而齿轮箱 BGA 模式则主要由处理器来决定。因此,GTM 是标准 (VTM) 和客户(齿轮箱)解决方案的完美组合。

实现高性能计算功能的更好途径

采用 SM-ChiP 封装来实施分比式电源架构 LPD 和 VPD 解决方案,能够显著降低低电压、大电流处理器的供电网络损耗。随着处理器电流要求不断攀升至 1000A 甚至更高,Vicor 分比式电源架构不仅能够提供更低的核心电压和更大的核心电流,同时还能降低供电网络损耗并提高系统效率。

Paul Yeaman 与行业中的技术领导者广泛合作,开发和实施了系统中领先的电源解决方案,这些解决方案满足行业中最严苛的电源需求。由于经常接触新技术带来的电源挑战,Paul 了解电源行业的广泛趋势,并致力于确保创新者能够整合电源解决方案以满足这些需求。Paul 在电力电子行业的设计和应用工程领域有 20 多年的经验。

Paul Yeaman

Paul Yeaman, 应用工程高级总监

本篇文章由 Bodo's Power Systems 首发。

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