瞬變對(duì)AI加速卡供電的影響

摘要

圖形處理單元（GPU）、張量處理單元（TPU）和其他類型的專用集成電路（ASIC）通過提供并行處理能力來實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，以滿足加速人工智能（AI）訓(xùn)練和推理工作負(fù)載的需求。

AI需要大量的算力，尤其是在學(xué)習(xí)和推理時(shí)。這種需求不斷地將供電網(wǎng)絡(luò)的邊界推向前所未有的新水平。這些高密度工作負(fù)載變得愈加復(fù)雜，更高的瞬態(tài)需求推動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)部分都必須高效運(yùn)行。AI加速卡嚴(yán)格的功耗要求對(duì)系統(tǒng)性能也有影響。本文將討論AI加速卡的配電網(wǎng)絡(luò)要求，剖析瞬變的影響，并介紹ADI公司針對(duì)這些需求提出的多相供電解決方案。

簡(jiǎn)介

AI技術(shù)完全改變了計(jì)算架構(gòu)，以復(fù)現(xiàn)模仿人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。AI看似已廣泛存在，但實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)AI的技術(shù)仍在發(fā)展。專門用于AI計(jì)算的處理器加速器IC包括GPU、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、TPU和其他類型的ASIC。本文將它們統(tǒng)稱為xPU。

隨著AI技術(shù)部署快速推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)批量購買AI加速卡。根據(jù)Gartner的報(bào)告，2021年AI芯片收入總計(jì)超過340億美元，預(yù)計(jì)到2026年將增長至860億美元。1xPU采用大規(guī)模并行計(jì)算方案，與普通CPU相比，在AI性能方面實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍。xPU擁有大量小內(nèi)核，因此非常適合AI工作負(fù)載，有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和AI推理。然而，xPU進(jìn)行AI計(jì)算和移動(dòng)數(shù)據(jù)通常會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的功耗。簡(jiǎn)而言之，xPU是非常耗電的IC。其嚴(yán)格的功耗要求對(duì)AI加速卡提出了新的挑戰(zhàn)，這也會(huì)影響系統(tǒng)性能。本文將分析AI加速卡的供電網(wǎng)絡(luò)要求，并介紹ADI公司針對(duì)這些嚴(yán)格要求提出的多相供電解決方案。

AI帶來的供電挑戰(zhàn)

AI涉及許多方面，但能效不在其中。AI工作時(shí)，尤其是處理深度學(xué)習(xí)和推理等AI工作負(fù)載時(shí)，需要極高的計(jì)算功率。在系統(tǒng)層面，AI加速器對(duì)于提供近乎即時(shí)的結(jié)果（正是這些結(jié)果使其有價(jià)值）發(fā)揮著關(guān)鍵作用。所有xPU都有多個(gè)高端內(nèi)核，這些內(nèi)核由數(shù)十億個(gè)晶體管構(gòu)成，消耗數(shù)百安培電流。這些xPU的內(nèi)核電壓（VCORE）已降至低于1.0 V的水平。圖1顯示了AI加速卡的通用框圖。本文將重點(diǎn)介紹為此類系統(tǒng)提出的多相控制器和相應(yīng)的功率級(jí)IC。

圖1.通用AI加速卡框圖

AI加速卡所需的峰值電流密度對(duì)于任何主板來說都是非常沉重的負(fù)擔(dān)，難以處理。工作負(fù)載的高度動(dòng)態(tài)特性和極高的電流瞬變會(huì)導(dǎo)致非常高的di/dt和持續(xù)數(shù)微秒的尖峰電壓瞬變，這些瞬變非常具有破壞性，可能對(duì)xPU造成損害。AI的平均工作負(fù)載會(huì)持續(xù)很長時(shí)間，解耦電容將無法始終提供滿足即時(shí)需求的能量。本文的下一部分將介紹ADI公司提出的多相負(fù)載點(diǎn)（PoL）解決方案，它會(huì)消除典型AI加速器的瞬變，避免給整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生壓力。但首先，我們來討論AI帶來的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

AI帶來新的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

目前，AI功率需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的能力。xPU穩(wěn)壓器（VR）的要求與標(biāo)準(zhǔn)PoL穩(wěn)壓器有很大不同。業(yè)界發(fā)現(xiàn)，某些應(yīng)用要求在小于1 V的電壓下為xPU提供超過1000 A的電流。重要的是，電源必須非常穩(wěn)定，產(chǎn)生的噪聲非常小，同時(shí)消除所有電壓瞬變可能性，以免導(dǎo)致xPU內(nèi)部誤觸發(fā)。為了應(yīng)對(duì)驚人的電流需求，高性能AI加速器VR PoL的設(shè)計(jì)必須滿足某些關(guān)鍵要求。

電壓尖峰和瞬變管理

AI加速卡的關(guān)鍵要求之一是VR的架構(gòu)應(yīng)能提供出色的瞬變電壓管理。向任何系統(tǒng)提供千瓦級(jí)功率始終是首要挑戰(zhàn)。輸出電壓（包括容差、紋波以及負(fù)載瞬態(tài)驟降和峰值）必須始終高于xPU最小電壓以避免系統(tǒng)掛起，并且還必須始終低于xPU最大電壓以免損壞xPU。加速卡的瞬態(tài)功率尖峰可能要求達(dá)到最大熱功率目標(biāo)的2倍甚至更高。

這里重要的是，PoL環(huán)路帶寬須足夠靈活，以處理所遇到的各類更快速瞬變。帶寬越高，環(huán)路響應(yīng)越快，電壓偏差越小。實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)電源軌較直接的一種方法是選擇具有快速瞬態(tài)性能的穩(wěn)壓器。ADI AI VCORE系列IC具有非常低的頻率輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率等特性。除此之外，ADI AI電源芯片組還支持負(fù)載線路，有助于電源設(shè)計(jì)人員有效管理AI工作負(fù)載引起的瞬變和尖峰。

長電源路徑走線中的I2R損耗和熱管理

隨著AI xPU處理器電流不斷提高，PoL供電解決方案的密度已成為關(guān)鍵要素。既要可靠地向xPU的每個(gè)部分供電，同時(shí)不用擔(dān)心散發(fā)的熱量會(huì)影響芯片的可靠性并導(dǎo)致熱失控，現(xiàn)在變得極其困難。換言之，熱管理是設(shè)計(jì)這種高功率電源所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的供電方法是將穩(wěn)壓器放置在xPU的一側(cè)，以便將電力橫向傳輸?shù)教幚砥?。這些走線的電阻哪怕再小，也可能引起不可接受的電壓（I2R）下降。PCB電源層電阻上的壓降會(huì)隨著xPU電流提高而成比例地增加。這意味著VR和BGA引腳之間幾厘米的PCB電源走線會(huì)產(chǎn)生大量的損耗。PCB銅電源層中的此類損耗已成為計(jì)算穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率和性能的主導(dǎo)因素。傳統(tǒng)3芯片（分立式）供電解決方案需要大量高電流走線，與之相比，使用集成了電流和溫度電路模塊的單芯片功率級(jí)IC，可以大大減少PCB上的走線數(shù)量。

ADI價(jià)值主張：MAX16602 + MAX20790 + 耦合電感

AI穩(wěn)壓器的精度變得更加嚴(yán)格。效率和尺寸是重中之重。性能和功耗也受到嚴(yán)格審查。正如上一節(jié)所述，解決AI加速卡VR設(shè)計(jì)問題已成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。設(shè)計(jì)人員非常清楚，若不能有效處理不必要的瞬態(tài)效應(yīng)，就無法在所需電流中產(chǎn)生大的階躍。解決這些瞬態(tài)效應(yīng)還需要某種類型的高精度動(dòng)態(tài)電壓定位或負(fù)載線路方案。ADI公司大力投資AI市場(chǎng)，為48 V和12 V系統(tǒng)提供全套解決方案。本節(jié)介紹ADI AI多相電源芯片組，即MAX16602多相控制器和MAX20790功率級(jí)，以及我們獲得專利的耦合電感（CL）技術(shù)，以幫助解決這些AI PoL設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖2顯示了8相MAX16602CL8_EV設(shè)計(jì)的MAX16602、MAX20790和CL簡(jiǎn)化框圖連接。這種相對(duì)簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了每相約88 APK的高電流傳輸能力。內(nèi)部補(bǔ)償和先進(jìn)的控制算法，加上功率級(jí)中集成的電流檢測(cè)電路以及耦合電感，使其成為擁有出色效率的小尺寸解決方案。

圖2.采用ADI高集成度電源芯片組的8相VR設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)高密度設(shè)計(jì)，同時(shí)減少外部連接

更高集成度的單芯片智能功率級(jí)IC

MAX20790是一款功能豐富的智能功率級(jí)IC，旨在與MAX16602（以及該產(chǎn)品系列中的其他幾款A(yù)DI控制器）配合使用，以實(shí)現(xiàn)高密度多相穩(wěn)壓器。這是一種單芯片集成，幾乎消除了分立式設(shè)計(jì)中常見的FET和驅(qū)動(dòng)器之間的寄生電阻和電感，從而實(shí)現(xiàn)高開關(guān)速度，而且功率損耗明顯低于傳統(tǒng)方案。如果檢測(cè)到開關(guān)節(jié)點(diǎn)（VX）故障，功率級(jí)會(huì)立即關(guān)閉，并將故障ID傳送給控制器。該智能功率級(jí)IC還有一個(gè)片內(nèi)電流傳感器。此電流檢測(cè)電路模塊顯然優(yōu)于使用電感直流電阻的方法。眾所周知，DCR檢測(cè)不準(zhǔn)確，需要溫度補(bǔ)償才能使電流測(cè)量結(jié)果可信。

控制器IC

MAX16602是一款用于xPU VCORE VR的多相控制器。該IC提供高密度、靈活且可擴(kuò)展的解決方案，可為AI xPU供電。該器件支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）并聯(lián)，可控制多達(dá)16個(gè)相位。該IC的架構(gòu)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了組件數(shù)量，支持高級(jí)電源管理和遙測(cè)功能，并在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提高了節(jié)能效果。它實(shí)現(xiàn)了自主切相，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。完整芯片組是一個(gè)高效率多相降壓轉(zhuǎn)換器，具有廣泛的狀態(tài)和參數(shù)測(cè)量特性。保護(hù)和關(guān)斷參數(shù)通過串行PMBus?接口進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)測(cè)，甚至包括功率級(jí)IC中收集的故障。

以下是該ADI控制器支持的其他幾個(gè)關(guān)鍵特性，這些特性對(duì)于任何AI供電方案都很重要。

高級(jí)調(diào)制方案

MAX16602利用高級(jí)調(diào)制方案（AMS）來提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。該調(diào)制方案支持以極短的延遲開啟和關(guān)閉相位。根據(jù)負(fù)載需求，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，可以同時(shí)開啟多個(gè)相位；當(dāng)負(fù)載釋放時(shí)，可以立即關(guān)閉多個(gè)相位。啟用AMS后，系統(tǒng)閉環(huán)帶寬可以擴(kuò)展，而不會(huì)造成相位裕量損失。因此，PoL能夠更好地響應(yīng)AI VR的即時(shí)和動(dòng)態(tài)電流需求。

負(fù)載線路控制

負(fù)載線路允許VCORE根據(jù)輸出電流在最小值和最大值之間變換。它實(shí)質(zhì)上是為輕負(fù)載設(shè)置高VCORE值，為重負(fù)載設(shè)置低值。主要是為了讓控制環(huán)路可以處理更高的負(fù)載電流（這是讓計(jì)算順利進(jìn)行所必需的）。ADI控制器在整個(gè)輸出電流范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的輸出負(fù)載線路控制。輸出電壓定位利用來自功率級(jí)IC的無損電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行，這些信號(hào)會(huì)反饋到控制器。負(fù)載線路是在控制器中通過對(duì)電壓控制環(huán)路誤差放大器的直流增益進(jìn)行數(shù)字編程來設(shè)置?？刂破鞯腅C表和數(shù)據(jù)手冊(cè)的表6中提供了各種直流負(fù)載線路特性，從0.105 mΩ到0.979 mΩ。圖3顯示了16相PoL設(shè)計(jì)在40 A至360 A負(fù)載階躍和800 A/μs擺率下的瞬態(tài)曲線。結(jié)果表明過沖極小。

總而言之，ADI的多相功率轉(zhuǎn)換和PoL產(chǎn)品提供高效率和高功率密度。圖5顯示了我們的16相MAX16602 + MAX20790 + CLH1110-4評(píng)估板的效率曲線以及偏置和電感損耗。ADI公司為各種AI加速器應(yīng)用提供穩(wěn)壓器和其他電源轉(zhuǎn)換解決方案。采用我們的多相控制器和集成功率級(jí)解決方案，有助于ADI客戶滿足嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)xPU電源要求，應(yīng)對(duì)當(dāng)今AI應(yīng)用帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

圖3.16相VR在40 A至360 A階躍負(fù)載和800 A/μs擺率下的瞬態(tài)曲線

設(shè)計(jì)中添加有源電壓定位可以降低對(duì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求，并更好地利用xPU總?cè)莶畲翱?。?fù)載線路控制有助于降低給定階躍負(fù)載的峰峰值輸出電壓偏差，同時(shí)可以減少輸出軌上的bulk電容量?？傠妷翰▌?dòng)將會(huì)減小，從而降低xPU崩潰或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。請(qǐng)注意，MAX16602中的負(fù)載線路電路模塊可以禁用。

耦合電感（CL）的優(yōu)勢(shì)

十多年來，ADI公司一直投資開發(fā)其專利CL技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)支持實(shí)現(xiàn)更高的密度、更大的帶寬、更快的瞬變解決方案，與分立式實(shí)現(xiàn)方案相比，效率提高50%，磁性元件尺寸縮小1.82倍。CL能夠有效地在穩(wěn)態(tài)中用作大電感，在瞬態(tài)中用作小電感，除了減小電感尺寸外，還能節(jié)省COUT。2圖4顯示了ADI多相VR設(shè)計(jì)中常用的耦合電感系列。

圖4.ADI多相VR設(shè)計(jì)常用的耦合電感系列

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格和優(yōu)先級(jí)，耦合電感消除電流紋波的優(yōu)勢(shì)可用來換取更小的尺寸或更高的效率。1較大的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)以及ADI產(chǎn)品的與眾不同之處在于，AI PoL設(shè)計(jì)人員可以使用CL相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn)VR總尺寸較小的解決方案。幾家知名磁性器件供應(yīng)商擁有ADI的免費(fèi)CL許可，可以為我們提供所需的元件。

頂部散熱封裝

頂部散熱為表面貼裝封裝提供了另一種散熱途徑。MAX16602和MAX20790都是倒裝芯片四方扁平無引線（FCQFN）封裝，帶裸露的頂部散熱焊盤。FCQFN是一種先進(jìn)的封裝，可提供設(shè)計(jì)人員青睞的出色熱性能。這種無引線封裝不僅可以減少寄生電感，還能從器件的結(jié)直接向周圍環(huán)境散熱。MAX20790的結(jié)殼頂部（θJC-TOP）熱阻為0.25°C/W。AI電源設(shè)計(jì)利用頂端散熱配置，可以提高系統(tǒng)的熱性能和設(shè)計(jì)靈活性。

圖5.16相AI VR評(píng)估板設(shè)計(jì)的效率曲線

垂直供電

隨著處理復(fù)雜AI功能的xPU問世，功耗隨之急劇增加。具有高達(dá)650 A連續(xù)電流和超過1000 A峰值電流傳輸能力的VR開始普及。為AI處理器供電的挑戰(zhàn)在于保持高效率。常規(guī)電源架構(gòu)無法跟上這些非常耗電的AI xPU的步伐。VR芯片制造商和架構(gòu)師正在從根本上研究不同的供電方法。業(yè)界正在討論一種為AI xPU供電的新趨勢(shì)，稱為垂直供電，也稱為背面供電。

VR必須盡可能靠近負(fù)載輸入xPU電源引腳，以實(shí)現(xiàn)高電流輸送。我們無法通過傳統(tǒng)的橫向供電方法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。垂直供電將電源調(diào)節(jié)器移到處理器正下方，從而消除了PCB上可能產(chǎn)生的所有損耗。該結(jié)構(gòu)將電源轉(zhuǎn)換器、功率級(jí)、電容和磁性元件放置在PCB的背面，并通過過孔垂直地向xPU供電。換言之，電流傳輸是從xPU BGA陣列下方垂直進(jìn)行。這是一條長度縮短的垂直路徑，可顯著降低阻抗并消除損耗。圖6顯示了安裝在PCB另一側(cè)、xPU下方的垂直供電模塊架構(gòu)。此示意圖僅用于說明。ADI公司擁有廣泛的AI xPU VCORE解決方案系列，用于解決當(dāng)今的這些問題。我們的電源解決方案能夠以非常小的外形尺寸實(shí)現(xiàn)出色的效率。本文介紹的解決方案將多相控制器MAX16602和智能單芯片功率級(jí)MAX20790相結(jié)合，可提供非常高的電源轉(zhuǎn)換效率、非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)和非常準(zhǔn)確的遙測(cè)報(bào)告。