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高性能芯片有哪些特征？

當代 GPU 有數百億顆晶體管。更好的處理器性能是以指數級增長的電源需求為代價的，因此人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 等應用的高性能處理器需要不斷增加功率。同時，由于先進的處理器節點實現了電流的增長，核心電壓正在下降。

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

此外，機器學習工作負載的高動態性還將導致芯片出現持續數微秒的高 di/dt 瞬態。這些瞬態會在高性能處理器模塊或加速卡的 PDN 上產生應力。

高性能計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 的峰值電流現在已經很普遍。

限制高性能計算性能進一步提高的因素有哪些？

在大多數情況下，供電現已成了計算性能的限制因素。如果提供適當的電源，處理器性能還能更高。供電不僅涉及配電，而且還涉及供電網絡 (PDN)的效率、規模、成本和散熱性能。PCB 空間有限，因此高功率密度組件是優化 PDN 的最佳選擇。

PDN 不僅會受到功率水平的進一步挑戰，而且還會受到可能產生電壓尖峰的高動態工作負載的挑戰；這些可能會干擾或損壞精密的處理器。數量龐大的其它 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雜。PDN 還會受 I2R 損耗的影響，這不僅會降低效率，而且如果管理不當還會產生散熱問題。

為什么 AI 或高性能計算的電流難以管理？

人工智能/高性能計算電流難以管理有兩個原因：首先，隨著負載和電流的增加，更大的電流可能很快會導致整個供電網絡中無法支撐的 I2R 損耗。

其次，由于消耗的峰值和空閑電流之間絕對差的增加，應對瞬態的難度更大。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載電流保持在紋波包絡內。

48V 為什么是“新 12V”？有哪些挑戰？

挑戰有兩個。首先，為了提高數據中心的整體效率，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換級之間的電流下降為 1/4 ，相應的歐姆損耗（I2R）下降為 1/16 。

與此同時，CPU 內核電壓下降到了遠低于 1V 的水平。因此，電源電壓和負載點電壓之間的差距正在擴大，這是這是第二個值得關注的問題，穩壓器效率會隨電壓差的增加而降低。

為什么傳統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核消耗掉了。也就是說，即使穩壓器部署在封裝邊緣附近，大電流到達內核仍然必須經過相當長一段距離。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。

在傳統的多相穩壓器方案中，電流越大，相位就越多。由于大多數多相穩壓器為分立式器件，因此電感器和開關必須單獨布局，而且在大多數情況下，還必須單獨散熱。因此，相位越多，穩壓器就越大，會增加處理器附近布局挑戰。

此外，任何使用常規多相電源解決方案都必須調整尺寸，才能適應不同的峰值電流。相比之下，Vicor 設計只需針對穩態條件進行尺寸調整，因為 Vicor VTM 模塊可針對瞬態提供 2 倍的額定功率。

如何緩解 AI/HPC 的供電挑戰？

Vicor 分比式電源架構 (FPA) 是針對當前激增的高性能計算需求提供更高效電源的基礎。FPA 將電源轉換器的任務分為穩壓和變壓的專用功能。將這兩種功能分開，可對其進行單獨優化，以實現高效率和高密度。與正弦振幅轉換器 (SAC) 拓撲相結合的 FPA 支撐了幾個創新的電源架構，解決當前的高性能處理器的電源需求。

Vicor 利用 FPA，可通過專有架構、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，兩個電流倍增器（Vicor VTM 模塊）位于處理器的上下側或左右側。

垂直供電是在低內核電壓下以最低 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，還可結合這兩種方法來優化 PCB 的使用。

對于 VPD，最終電流倍增器級和旁路電容器可以相互堆疊，形成一個集成型電源模塊（geared current multiplier），可取代旁路電容器組合，直接安裝在處理器下面。

為什么封裝技術對 AI/HPC 供電解決方案很重要？

雖然用于實施高性能穩壓器的拓撲和架構很重要，但封裝技術也很重要。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統一的器件中。

此外，該封裝經過精心設計，能夠以最低的熱阻抗，實現最高效的電流提取，從而可增強散熱性。許多 SM-ChiP 還包括通過器件重要表面實現的接地金屬屏蔽。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 中間母線電源系統中使用原有 12V 單元？

隨著系統功率不斷提高，各數據中心正紛紛部署 48V 供電網絡 (PDN)；基于 48V 的架構在保持安全超低電壓 (SELV) 水平的同時，可最大限度提高供電網絡的效率。

因此，開放式計算機項目 (OCP) 正在通過其開放式機架標準 V2.2 為向 48V 過渡提供支持，這不僅可滿足分布式 48V 服務器背板架構的需求，而且還可為 AI 開放式加速器模塊 (OAM) 提供 48V 標準工作電壓。

這些新標準要求 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 1/8 及 1/4 開放式框架磚型轉換器非常笨重，無法滿足先進系統的功率密度需求。此外，常規轉換器拓撲的低效率會降低 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 系統與 12V 至 48V 系統橋接起來。這些固定比率的穩壓轉換器以其固有的效率優勢實現了 48V PDN 部署，同時減輕了重新設計 12V 傳統系統的負擔。這些轉換器不僅設定了新的功率轉換性能標準，而且還帶來了面向各種應用需求的選項。

數據中心的電源使用效率 (PUE) 對高性能計算供電網絡有何影響？

數據中心的 PUE 反映了進入數據中心的電力有多少用于非計算工作、有多少用于計算機 PDN。

Vicor 如何設計高效的 AI/HPC 供電網絡？

雖然每個設計都各不相同，但 Vicor 會通過有條不紊的七個步驟來優化有特定用途的 PDN：

1.了解整個應用。應用的主要功能是什么，哪些與電源相關的功能可以實現進一步提升？

2.看看客戶過去和現在的解決方案，弄清楚我們可以改進的地方。

3.檢索需求（CART 文件）并推薦相應的 PRM 和 VTM。

4.基于現有評估板準備的原理圖和布局。

5.經過現場及工廠應用的徹底審核后，客戶制作了一些測試板。

6.然后將這些測試板放在工作臺上，運行多種類型的測試（針對瞬態、相位/增益裕度等進行環路調諧）。

7.一旦客戶滿意，我們就會保存上一步的所有設置，然后將信息發給工廠進行批量生產。

為什么邊緣計算特別具有挑戰性？