面對人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的高功率計(jì)算需求給芯片電感帶來了哪些前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇呢？

隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，數(shù)據(jù)中心正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，特別是在高功率計(jì)算需求方面顯得尤為突出。這一趨勢不僅加速了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的升級步伐，也極大地推動了市場對高性能芯片電感需求的激增。

Big-Bit電子變壓器與電感網(wǎng)有幸在第11屆功率變換器磁性元器件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會上，對中國電源學(xué)會磁技術(shù)專業(yè)委員會委員陸慶進(jìn)行了深度專訪。

磁技術(shù)專業(yè)委員會委員：陸慶

專訪中，陸慶先生憑二十余年磁性材料領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，就市場對芯片電感的技術(shù)需求及未來趨勢等熱點(diǎn)，與記者深入交流，展現(xiàn)了對軟磁材料、芯片電感及其應(yīng)用的深刻見解。

Q：您什么時(shí)候開始涉足芯片電感領(lǐng)域？

陸慶：芯片電感主要分為組裝式電感與一體式電感兩種類型。以往的工作經(jīng)歷中，我比較關(guān)注組裝式電感。然而，鑒于未來電感自動化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，2022年我便開始專注于一體式電感。

需要明確的是，我們目前所討論的芯片電感與服務(wù)器主板上常見的一體成型電感并不完全相同。電感產(chǎn)品存在多種類型與檔次劃分，例如，目前在商用領(lǐng)域，二級與三級一體電感的應(yīng)用較為廣泛。特別是在48V轉(zhuǎn)12V和12V轉(zhuǎn)1V的電源轉(zhuǎn)換過程中，電感發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

此外，在服務(wù)器電源以及CPU和GPU的供電系統(tǒng)中，也大量使用了電感，這些電感有時(shí)被稱作芯片電感。

具體來說，芯片電感又可分為為CPU供電和為GPU供電兩類。目前，為CPU供電的電感要求相對較低，價(jià)格在0.2美元以下。

然而，我們現(xiàn)在所討論的高性能芯片電感，與人工智能算力緊密相關(guān)。在高性能芯片電感領(lǐng)域，英偉達(dá)、AMD、谷歌等公司正在積極投入，我國在GPU研發(fā)方面則相對薄弱，主要是華為在致力于相關(guān)芯片的研發(fā)。在這些高性能芯片中，電壓已經(jīng)降至1V以下，而功率卻在不斷增大，因此急需一種能承受大電流且體積小巧的電感，這正是我們目前研發(fā)高性能芯片電感的目的所在。

Q：從產(chǎn)品最終形態(tài)去看，高性能芯片電感是否會與CPU或GPU集成在一起，還是仍然保持獨(dú)立的一體電感形態(tài)？

陸慶：目前芯片電感領(lǐng)域存在兩種發(fā)展方向。英偉達(dá)采用的是分離式設(shè)計(jì)，即在GPU旁邊單獨(dú)配置電感。而另一種思路是，隨著垂直供電技術(shù)的發(fā)展，電感未來的發(fā)展趨勢將是模組化，兩個方向我們都在關(guān)注。

具體來說，就是在電感上GND和Vin以及相關(guān)信號引腳，并集成CMOS等元件，使電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化，從而使電感從無源變?yōu)閹в杏性垂δ埽⒏涌拷麮PU、GPU芯片以降低損耗提升效率。目前，一些芯片廠商如MPS、瑞薩等也在研究這個方向。

這種設(shè)計(jì)可以顯著減小電感體積，但研發(fā)與制作成本較高，每顆芯片電感的價(jià)格至少在1美元以上，甚至可能高達(dá)4-5美元。不過，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，單顆芯片電感的成本有望逐漸降低。

芯片模組電感

Q：按照這一發(fā)展趨勢，什么類型的磁性材料會成為高性能芯片電感領(lǐng)域的主流選擇？

陸慶：以目前英偉達(dá)為代表的領(lǐng)先技術(shù)來看，因?yàn)殍F氧體材料受Bs限制，電流越大就很容易飽和，沒辦法滿足芯片電感的需求。而非晶納米晶材料在提高磁導(dǎo)率方面也存在挑戰(zhàn)，同樣滿足不了芯片電感的需求。

考慮到AI算力領(lǐng)域電源厚度不斷變薄，金屬磁粉芯在這方面具有優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更高的磁導(dǎo)率，因此未來芯片電感很可能以金屬磁粉芯為主要發(fā)展方向。

Q：電源、電感都在追求小型化，高性能芯片電感的尺寸是多少？

陸慶：關(guān)于芯片電感的尺寸，目前可以達(dá)到毫米級別，例如5*4*6毫米的尺寸，未來芯片電感的厚度還可能進(jìn)一步減小到2毫米以下，甚至更薄。

Q：對于芯片電感而言，主要關(guān)注哪些參數(shù)呢？

陸慶：最重要的是在相同的飽和電流和參數(shù)條件下，能否將電感的體積做得更小。

我國在一體成型芯片電感領(lǐng)域的發(fā)展主要采用兩種制造工藝：熱壓成型和銅鐵共燒。三鈦科技和鉑科新材的銅鐵共燒技術(shù)在全球范圍是技術(shù)一流，規(guī)模也在行業(yè)領(lǐng)先，東磁、天通等多家磁性材料企業(yè)都在進(jìn)行這方面的研發(fā)，但真正能夠大規(guī)模量產(chǎn)芯片電感，月產(chǎn)能有KK級別的企業(yè)很少。

此外，熱壓成型技術(shù)也是國內(nèi)的一個研究熱點(diǎn)，其中乾坤科技在納米晶熱壓成型領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。這兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此目前大廠通常會同時(shí)使用這兩種生產(chǎn)工藝的芯片電感。

Q：高性能芯片電感目前存在的技術(shù)難點(diǎn)有哪些？

陸慶：在材料領(lǐng)域，針對芯片電感的需求，我們精心設(shè)計(jì)與研發(fā)線材的形狀，隨后交由專業(yè)的線材制造商進(jìn)行加工處理。至于磁芯，則構(gòu)成了我們研發(fā)工作的核心焦點(diǎn)。

隨著技術(shù)向高頻化邁進(jìn)，當(dāng)前電感的頻率已攀升至MHz量級，這對所用材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。未來的磁性材料研究，將著重于如何在材料層面實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的調(diào)控，以有效減少渦流損耗并提升磁導(dǎo)率。

金屬磁粉芯在過去二十年里實(shí)現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展，其損耗持續(xù)降低，已逐漸逼近鐵氧體材料的損耗標(biāo)準(zhǔn)。10年前，金屬磁粉芯應(yīng)用于MHz級別場景的想法還顯得遙不可及。而今，行業(yè)正經(jīng)歷著深刻的轉(zhuǎn)型，金屬磁粉芯的未來發(fā)展前景極為廣闊。

另一方面，隨著電感產(chǎn)品厚度的不斷減小，工藝方面的挑戰(zhàn)日益凸顯。

電感產(chǎn)品尺寸的縮小使得成型過程中的良率控制變得更為困難，燒結(jié)階段也更容易產(chǎn)生次品。如何高效且準(zhǔn)確地檢測這些微小的電感，成為了一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，要求我們不斷對電感的工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級。

當(dāng)前，金屬磁粉芯一體電感采用特殊壓制與燒結(jié)工藝，這是因?yàn)榇欧坌颈仨毻ㄟ^這兩種工藝，以滿足磁導(dǎo)率和損耗指標(biāo)。展望未來，若產(chǎn)品從毫米級向微米級發(fā)展，光刻工藝或許會成為備選方案，但就目前而言，這一技術(shù)路徑的實(shí)現(xiàn)仍面臨較大難度。

在設(shè)備層面，芯片電感領(lǐng)域中的許多設(shè)備都需要量身定制，難以直接購買到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。即便是所謂的AI檢測技術(shù)，也需要不斷對系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練與優(yōu)化。

正是由于這些高難度挑戰(zhàn)，導(dǎo)致目前采用金屬磁粉芯銅鐵共燒技術(shù)路線的芯片電感企業(yè)數(shù)量稀少。需要企業(yè)匯聚材料、電感以及設(shè)備領(lǐng)域的專家，共同致力于這一創(chuàng)新事業(yè)。

芯片電感（單相電感與雙相電感）

Q：如何看待芯片電感未來的發(fā)展？

陸慶：未來五年內(nèi)，AI算力行業(yè)將異常火熱。英偉達(dá)已經(jīng)推出了Blackwell，這標(biāo)志著新一代技術(shù)的誕生，而我國芯片技術(shù)的發(fā)展水平與上一代的H100相比仍存在顯著差距，可以說他們已領(lǐng)先我們兩代。

今年，英偉達(dá)還在中國大陸市場推出了簡化版的AI芯片H20，這款芯片一經(jīng)推出就受到了百度、阿里、騰訊、字節(jié)跳動等科技巨頭的熱烈追捧。然而，當(dāng)前美國實(shí)施的禁售政策正迫使我國國內(nèi)廠商加速芯片研發(fā)的進(jìn)程。

我預(yù)測，或許再過五年，中美兩國在芯片技術(shù)上的差距將會顯著縮小。因?yàn)楫?dāng)前全球范圍內(nèi)，美國和中國是大力推動AI發(fā)展的兩大主要力量，而AI領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是電力供應(yīng)。

得益于我國完善的電網(wǎng)系統(tǒng)和充足的電力資源，未來幾年，我國還將大力建設(shè)數(shù)據(jù)中心。AI與數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展速度將異常迅猛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越新能源行業(yè)。新能源行業(yè)的未來年增長率可能維持在20%至30%之間，而AI與數(shù)據(jù)中心行業(yè)的年增長率則可能高達(dá)50%至60%，隨著未來計(jì)算能力的持續(xù)增強(qiáng)，對高性能芯片電感的需求數(shù)量預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升。

結(jié)語

通過與行業(yè)技術(shù)專家陸慶的深入交流，我們不難發(fā)現(xiàn)，芯片電感不僅承載著為CPU和GPU提供穩(wěn)定供電的重任，更是推動AI算力行業(yè)邁向新高度的關(guān)鍵力量。

未來五年內(nèi)，AI算力行業(yè)將呈現(xiàn)出爆炸式增長，而我國在芯片電感領(lǐng)域雖然起步較晚，但得益于國家政策的大力支持和企業(yè)界的不斷努力，正逐步縮小與國際領(lǐng)先水平的差距。金屬磁粉芯、熱壓成型、銅鐵共燒等先進(jìn)技術(shù)和制造工藝的廣泛應(yīng)用，將進(jìn)一步提升芯片電感的性能和可靠性，滿足AI和數(shù)據(jù)中心日益增長的算力需求。

與此同時(shí)，我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識到，芯片電感領(lǐng)域技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如材料性能的提升、工藝難度的加大以及設(shè)備定制化等難題。然而，正是這些挑戰(zhàn)孕育著新的機(jī)遇，推動著我國芯片電感行業(yè)不斷向前發(fā)展。

展望未來，基于AI與數(shù)據(jù)中心行業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展趨勢，可以預(yù)見芯片電感領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀鼮閺V闊的市場空間和積極的發(fā)展機(jī)遇。我們期待，芯片電感領(lǐng)域技術(shù)所驅(qū)動的創(chuàng)新能為科技領(lǐng)域及相關(guān)行業(yè)帶來更加顯著的進(jìn)步與改善。

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審核編輯 黃宇