48V 電源架構(gòu)支持下一代 AI 處理器

為 AI 處理器提供動力的挑戰(zhàn)在于保持效率和實現(xiàn)最高質(zhì)量的算法執(zhí)行。AI處理器需要大量的電力，能效的降低對應(yīng)整個配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的損耗增加。在接受電力電子新聞采訪時，Vicor PE 公司副總裁 Robert Gendron 強調(diào)，在數(shù)據(jù)中心，人工智能、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入如何使機架功率躍升 200% 以上，達到 20- kW 范圍，導(dǎo)致使用新的 48-V 解決方案重新評估公司的 PDN。Vicor 重新設(shè)計其 48V 機架和數(shù)據(jù)中心解決方案的能力解決了高電流 PDN 問題，但也給電源轉(zhuǎn)換帶來了新的挑戰(zhàn)。

圖 1：CPU/FPGA 峰值電流要求的進展（來源：Vicor）

對 PDN 的需求飆升

供電和電源效率已成為大規(guī)模計算系統(tǒng)中最大的問題（圖 1）。隨著處理復(fù)雜 AI 功能的 ASIC 和 GPU 的出現(xiàn)，該行業(yè)見證了處理器功耗的急劇增加。機架電源需求也與在大規(guī)模學(xué)習(xí)和推理應(yīng)用程序部署中使用的 AI 能力成正比。在大多數(shù)情況下，供電現(xiàn)在是計算性能的限制因素，因為新 CPU 希望消耗不斷增加的電流。最佳電力傳輸不僅需要電力分配，還需要效率、尺寸、成本和熱性能。

為了支持大量的數(shù)據(jù)計算，傳統(tǒng)的 PDN 需要承受巨大的功率需求，從而影響熱管理。通過延長 PDN 系統(tǒng)的電纜來降低電阻或增加工作電壓以降低電流是兩種選擇。為了滿足功率的增加，現(xiàn)代設(shè)計正在采用第二種選擇來更有效地滿足數(shù)據(jù)中心的嚴(yán)格要求。

“目前，電力需求遠遠超過傳統(tǒng)的電力輸送網(wǎng)絡(luò)，”Gendron 說?！扒袚Q到 48V 架構(gòu)并采用更具創(chuàng)新性的供電方法是提供高性能電源以滿足驚人的 AI/HPC 需求的唯一途徑?！?/p>

當(dāng) 2015 年處理器能力開始急劇增加時，擁有最多云、服務(wù)器和 CPU 公司成員的開放計算項目 (OCP) 聯(lián)盟繼續(xù)改進其 12-V 機架設(shè)計。響應(yīng)是從電纜切換到母線并在機架內(nèi)部署更多 12V 單相交流轉(zhuǎn)換器，以最大限度地減少 PDN 距離和服務(wù)器刀片的阻力。主要的變化是，由于功率增加，單相交流電是從三相電源的各個相位派生到機架的。隨后，在具有 500-A 至 1,000-A 處理器的數(shù)據(jù)中心中引入 AI，促使一些公司轉(zhuǎn)向 48-V 配電。這將 12 kW 機架的大電流 PDN 問題減少到 250 A，但給整個系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換帶來了新的挑戰(zhàn)。由于為刀片供電的 PDN 正在切換到 48 V，因此需要對刀片進行電源轉(zhuǎn)換更改。在任何情況下，從 12V 配電切換到 48V 都會將輸入電流要求降低 4 倍，并將損耗降低 16 倍。

采用 48V 架構(gòu)

48 V 用于可充電備用電池系統(tǒng)，為電信設(shè)備供電。這些系統(tǒng)中傳統(tǒng)上使用的通用架構(gòu)稱為中間總線架構(gòu)，它由一個隔離的未穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器組成，用于將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V，然后將其饋送到一組多相降壓穩(wěn)壓器以處理到 12 V 的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)負(fù)載點 (PoL)。隨著 AI 處理器和 CPU 電流的增加，由于穩(wěn)壓器和 PoL 之間的 PDN 電阻，PoL 的供電解決方案的密度成為 AI 應(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。PDN 損耗是計算 DC/DC 穩(wěn)壓器設(shè)計效率和性能的主要因素。

為了減少損耗，Vicor 建議使用 48V 預(yù)調(diào)節(jié)模塊 (PRM)，然后使用固定比率（1/K 因子）變壓級 (VTM)。這種專有架構(gòu)允許優(yōu)化每個階段的性能。

PRM 使用零電壓開關(guān)拓?fù)?，?VTM 使用專有的高頻正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 拓?fù)?。VTM 可以看作是一個 DC/DC 變壓器，電壓比為 1/K，電流比為 K。VTM 提供高功率密度，可以非?？拷幚砥鞣胖?。

VTM 采用 SAC 拓?fù)?，因此與多相開關(guān)及其相關(guān)電感器相比，其輻射低且窄帶。它還提供比多相設(shè)計更高的功率密度，單個 VTM 取代了六個多相開關(guān)級。VTM 占用空間小，完全符合支持四通道內(nèi)存的高級處理器的布局限制，而不會侵占內(nèi)存子系統(tǒng)的布局區(qū)域。

圖 2：橫向供電（來源：Vicor）

大電流傳輸是通過模塊化電流倍增器 (MCM) 模塊提供的，這些模塊靠近處理器放置在主板上或處理器基板上。在基板上放置 MCM 可最大限度地減少 PDN 損耗并減少電源所需的處理器基板 BGA 引腳數(shù)量。LPD 旨在支持 OCP 加速器模塊卡和定制 AI 加速器卡的供電需求和獨特的外形。

圖 3：垂直供電（來源：Vicor）

垂直供電 (VPD) 進一步消除了配電損耗和 VR PCB 板面積消耗。VPD 在設(shè)計上與 Vicor LPD 解決方案相似，只是將旁路電容集成到電流倍增器或齒輪電流倍增器 (GCM) 模塊中。

根據(jù)處理器電流，工程師可以在橫向供電 (LPD) 或 VPD 之間進行選擇。在前一種情況下，電流倍增器位于 AI 處理器旁邊，位于同一基板上或直接位于主板上幾毫米之內(nèi)，使 PDN 降低到約 50 μΩ。為了獲得更高的性能，VPD 將電流倍增器直接移到處理器下方，同時還集成了高頻接地電容器。這種類型的電流倍增器稱為齒輪電流倍增器。VPD 將 PDN 電阻降低到 5–7 μΩ，使 AI 處理器可以自由地利用全部功率。

圖 4：該 AI 解決方案重點介紹了 Vicor 48V 直接負(fù)載 VR 解決方案，支持高達 650A 的連續(xù)電流和超過 1,000A 的峰值電流傳輸。（來源：Vicor）

最大化 AI 處理器性能

圖 4 顯示了高級 AI 處理器加速模塊的典型 Vicor VR 解決方案。 Vicor VR 由三個動力總成模塊、一個模塊化電流驅(qū)動器 (MCD) 和兩個 MCM 組成，提供 48-V輸入至 0.8-V輸出VR 具有高達 650 A 的連續(xù)電流和超過 1,000 A 的峰值電流傳輸能力。就像飛機的噴氣燃料一樣，這種供電水平可確保 AI 處理器能夠以最佳時鐘頻率運行并最大限度地提高性能。

“如果我們的技術(shù)沒有用于這些先進的 AI 應(yīng)用程序，多相 VR 設(shè)備的數(shù)量將超過電路板尺寸，并且不會保持相同的外形尺寸，”Gendron 說?！按送?，噪聲貢獻很可能太高而無法保持信號完整性?！?/p>

通過使用Vicor NBM2317，可保持與傳統(tǒng) 12 V 服務(wù)器機架配電的兼容性，并為 Vicor VR 提供 48 V 電壓。這個 12-V 到 48-V 轉(zhuǎn)換器也可以在“相反”方向運行，從而實現(xiàn) 48-V 到 12-V 的轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的電源架構(gòu)跟不上當(dāng)今耗電的 AI 處理器及其在云計算中的采用。Vicor 電源方法支持 48V 配電和支持高級 AI 處理需求的 VR。與 CPU 使用的傳統(tǒng)多相設(shè)計不同，Vicor 解決方案專為解決在云服務(wù)器中快速遷移的新型處理器而開發(fā)。

需要一種為 AI/HPC 提供動力的新方法。隨著領(lǐng)先公司在電源方面不斷推陳出新，從云服務(wù)器機架分配 12 V 電源已不再可行。為當(dāng)今的 ASIC 和 GPU 供電需要的不僅僅是通過更換部件來增加功率。最有效的解決方案從高壓電源開始，結(jié)合創(chuàng)新的架構(gòu)和拓?fù)?，并使用高效的高密?a target="_blank">電源模塊。

審核編輯 黃昊宇