高性能芯片有哪些特征？

高性能芯片有哪些特征？

當(dāng)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(jí)增長的電源需求為代價(jià)的，因此人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 等應(yīng)用的高性能處理器需要不斷增加功率。同時(shí)，由于先進(jìn)的處理器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了電流的增長，核心電壓正在下降。

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

此外，機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的高動(dòng)態(tài)性還將導(dǎo)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(huì)在高性能處理器模塊或加速卡的 PDN 上產(chǎn)生應(yīng)力。

高性能計(jì)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(jì)算性能進(jìn)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(jì)算性能的限制因素。如果提供適當(dāng)?shù)碾娫?，處理器性能還能更高。供電不僅涉及配電，而且還涉及供電網(wǎng)絡(luò) (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(huì)受到功率水平的進(jìn)一步挑戰(zhàn)，而且還會(huì)受到可能產(chǎn)生電壓尖峰的高動(dòng)態(tài)工作負(fù)載的挑戰(zhàn)；這些可能會(huì)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(fù)雜。PDN 還會(huì)受 I2R 損耗的影響，這不僅會(huì)降低效率，而且如果管理不當(dāng)還會(huì)產(chǎn)生散熱問題。

為什么 AI 或高性能計(jì)算的電流難以管理？

人工智能/高性能計(jì)算電流難以管理有兩個(gè)原因：首先，隨著負(fù)載和電流的增加，更大的電流可能很快會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)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(duì)差的增加，應(yīng)對(duì)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(fù)載電流保持在紋波包絡(luò)內(nèi)。

48V 為什么是“新 12V”？有哪些挑戰(zhàn)？

挑戰(zhàn)有兩個(gè)。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(zhuǎn)換級(jí)之間的電流下降為 1/4 ，相應(yīng)的歐姆損耗（I2R）下降為 1/16 。

與此同時(shí)，CPU 內(nèi)核電壓下降到了遠(yuǎn)低于 1V 的水平。因此，電源電壓和負(fù)載點(diǎn)電壓之間的差距正在擴(kuò)大，這是這是第二個(gè)值得關(guān)注的問題，穩(wěn)壓器效率會(huì)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(dá)內(nèi)核仍然必須經(jīng)過相當(dāng)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(guān)必須單獨(dú)布局，而且在大多數(shù)情況下，還必須單獨(dú)散熱。因此，相位越多，穩(wěn)壓器就越大，會(huì)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(diào)整尺寸，才能適應(yīng)不同的峰值電流。相比之下，Vicor 設(shè)計(jì)只需針對(duì)穩(wěn)態(tài)條件進(jìn)行尺寸調(diào)整，因?yàn)?Vicor VTM 模塊可針對(duì)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(gòu) (FPA) 是針對(duì)當(dāng)前激增的高性能計(jì)算需求提供更高效電源的基礎(chǔ)。FPA 將電源轉(zhuǎn)換器的任務(wù)分為穩(wěn)壓和變壓的專用功能。將這兩種功能分開，可對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效率和高密度。與正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 拓?fù)湎嘟Y(jié)合的 FPA 支撐了幾個(gè)創(chuàng)新的電源架構(gòu)，解決當(dāng)前的高性能處理器的電源需求。

Vicor 利用 FPA，可通過專有架構(gòu)、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(gè)電流倍增器（Vicor VTM 模塊）位于處理器的上下側(cè)或左右側(cè)。

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(jié)合這兩種方法來優(yōu)化 PCB 的使用。

對(duì)于 VPD，最終電流倍增器級(jí)和旁路電容器可以相互堆疊，形成一個(gè)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(shù)對(duì) AI/HPC 供電解決方案很重要？

雖然用于實(shí)施高性能穩(wěn)壓器的拓?fù)浜图軜?gòu)很重要，但封裝技術(shù)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(gè)統(tǒng)一的器件中。

此外，該封裝經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠以最低的熱阻抗，實(shí)現(xiàn)最高效的電流提取，從而可增強(qiáng)散熱性。許多 SM-ChiP 還包括通過器件重要表面實(shí)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(luò) (PDN)；基于 48V 的架構(gòu)在保持安全超低電壓 (SELV) 水平的同時(shí)，可最大限度提高供電網(wǎng)絡(luò)的效率。

因此，開放式計(jì)算機(jī)項(xiàng)目 (OCP) 正在通過其開放式機(jī)架標(biāo)準(zhǔn) V2.2 為向 48V 過渡提供支持，這不僅可滿足分布式 48V 服務(wù)器背板架構(gòu)的需求，而且還可為 AI 開放式加速器模塊 (OAM) 提供 48V 標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。

這些新標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換器非常笨重，無法滿足先進(jìn)系統(tǒng)的功率密度需求。此外，常規(guī)轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞牡托蕰?huì)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(zhuǎn)換器以其固有的效率優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了 48V PDN 部署，同時(shí)減輕了重新設(shè)計(jì) 12V 傳統(tǒng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。這些轉(zhuǎn)換器不僅設(shè)定了新的功率轉(zhuǎn)換性能標(biāo)準(zhǔn)，而且還帶來了面向各種應(yīng)用需求的選項(xiàng)。

數(shù)據(jù)中心的電源使用效率 (PUE) 對(duì)高性能計(jì)算供電網(wǎng)絡(luò)有何影響？

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

Vicor 如何設(shè)計(jì)高效的 AI/HPC 供電網(wǎng)絡(luò)？

雖然每個(gè)設(shè)計(jì)都各不相同，但 Vicor 會(huì)通過有條不紊的七個(gè)步驟來優(yōu)化有特定用途的 PDN：

1.了解整個(gè)應(yīng)用。應(yīng)用的主要功能是什么，哪些與電源相關(guān)的功能可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)的地方。

3.檢索需求（CART 文件）并推薦相應(yīng)的 PRM 和 VTM。

4.基于現(xiàn)有評(píng)估板準(zhǔn)備的原理圖和布局。

5.經(jīng)過現(xiàn)場及工廠應(yīng)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(tái)上，運(yùn)行多種類型的測試（針對(duì)瞬態(tài)、相位/增益裕度等進(jìn)行環(huán)路調(diào)諧）。

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

為什么邊緣計(jì)算特別具有挑戰(zhàn)性？

邊緣計(jì)算的成功取決于適當(dāng)硬件的可用性；系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)地提供必要的處理速度和能力，同時(shí)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(yù)測性更大的環(huán)境考驗(yàn)。

邊緣計(jì)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(jì)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(luò)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(jì)算創(chuàng)新的主要瓶頸。

Vicor 技術(shù)如何助力實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算供電？

Vicor 技術(shù)可用于設(shè)計(jì)高度可擴(kuò)展的緊湊邊緣計(jì)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(hào)完整性的技術(shù)瓶頸問題，同時(shí)還可提供極為緊湊的高效率電源轉(zhuǎn)換以及低功耗散熱與工程設(shè)計(jì)。除了不受限于設(shè)備、靈活和可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)散熱良好而且節(jié)能的緊湊固態(tài) EMDC 設(shè)計(jì)。

以上為中譯

Anish Jacob

HPC 現(xiàn)場應(yīng)用工程師

Anish Jacob 是 Vicor 公司的首席現(xiàn)場應(yīng)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(xué)和南加州大學(xué)并獲學(xué)位證書，自 2015 年 4 月以來一直是 Vicor 團(tuán)隊(duì)的重要成員，具有扎實(shí)的專業(yè)技術(shù)，可為客戶提供尖端解決方案和支持。

審核編輯：湯梓紅