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高性能芯片有哪些特征？

当代 GPU 有数百亿颗晶体管。更好的处理器性能是以指数级增长的电源需求为代价的，因此人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 等应用的高性能处理器需要不断增加功率。同时，由于先进的处理器节点实现了电流的增长，核心电压正在下降。

在高达 2000A 的峰值电流越来越普遍之际，一些 xPU 公司正在评估多轨方案，将内核主电源轨分成五个或五个以上小电流电源输入。

此外，机器学习工作负载的高动态性还将导致芯片出现持续数微秒的高 di/dt 瞬态。这些瞬态会在高性能处理器模块或加速卡的 PDN 上产生应力。

高性能计算的电流峰值需求水平是多少？

目前的趋势是处理器的功耗每两年翻一番。2,000A 的峰值电流现在已经很普遍。

限制高性能计算性能进一步提高的因素有哪些？

在大多数情况下，供电现已成了计算性能的限制因素。如果提供适当的电源，处理器性能还能更高。供电不仅涉及配电，而且还涉及供电网络 (PDN)的效率、规模、成本和散热性能。PCB 空间有限，因此高功率密度组件是优化 PDN 的最佳选择。

PDN 不仅会受到功率水平的进一步挑战，而且还会受到可能产生电压尖峰的高动态工作负载的挑战；这些可能会干扰或损坏精密的处理器。数量庞大的其它 PCB 组件也需要占用空间，通过电源布线来限制这种情况就变得非常复杂。PDN 还会受 I²R 损耗的影响，这不仅会降低效率，而且如果管理不当还会产生散热问题。

为什么 AI 或高性能计算的电流难以管理？

人工智能/高性能计算电流难以管理有两个原因：首先，随着负载和电流的增加，更大的电流可能很快会导致整个供电网络中无法支撑的 I²R 损耗。

其次，由于消耗的峰值和空闲电流之间绝对差的增加，应对瞬态的难度更大。此外，还有更高的 di/dt。

而且还需要大量的外部插座电容器来将负载电流保持在纹波包络内。

48V 为什么是“新 12V”？有哪些挑战？

挑战有两个。首先，为了提高数据中心的整体效率，他们正在从 12VDC 电源轨迁移至 48VDC 电源轨。因此，印刷电路板输入和最终转换级之间的电流下降为 1/4 ，相应的欧姆损耗（I²R）下降为 1/16 。

与此同时，CPU 内核电压下降到了远低于 1V 的水平。因此，电源电压和负载点电压之间的差距正在扩大，这是这是第二个值得关注的问题，稳压器效率会随电压差的增加而降低。

为什么传统的供电方式不能胜任？

在典型的处理器封装中，所有电流均被中间内核消耗掉了。也就是说，即使稳压器部署在封装边缘附近，大电流到达内核仍然必须经过相当长一段距离。该电流路径被称为“最后一英寸”距离，受 PCB 电阻损耗以及寄生电感及电容的影响。

在传统的多相稳压器方案中，电流越大，相位就越多。由于大多数多相稳压器为分立式器件，因此电感器和开关必须单独布局，而且在大多数情况下，还必须单独散热。因此，相位越多，稳压器就越大，会增加处理器附近布局挑战。

此外，任何使用常规多相电源解决方案都必须调整尺寸，才能适应不同的峰值电流。相比之下，Vicor 设计只需针对稳态条件进行尺寸调整，因为 Vicor VTM 模块可针对瞬态提供 2 倍的额定功率。

如何缓解 AI/HPC 的供电挑战？

Vicor 分比式电源架构 (FPA) 是针对当前激增的高性能计算需求提供更高效电源的基础。FPA 将电源转换器的任务分为稳压和变压的专用功能。将这两种功能分开，可对其进行单独优化，以实现高效率和高密度。与正弦振幅转换器 (SAC) 拓扑相结合的 FPA 支撑了几个创新的电源架构，解决当前的高性能处理器的电源需求。

Vicor 利用 FPA，可通过专有架构、横向供电 (LPD) 和垂直供电 (VPD) 最大限度降低“最后一英寸”电阻。在 LPD 中，两个电流倍增器（Vicor VTM 模块）位于处理器的上下侧或左右侧。

垂直供电是在低内核电压下以最低 PDN 电阻提供大电流的终极方式。在这种情况下，电流倍增器直接安装在处理器正下方。其在这两种情况下，都能显著降低最后一英寸损耗。

此外，在极高电流的情况下，还可结合这两种方法来优化 PCB 的使用。

对于 VPD，最终电流倍增器级和旁路电容器可以相互堆叠，形成一个集成型电源模块（geared current multiplier），可取代旁路电容器组合，直接安装在处理器下面。

为什么封装技术对 AI/HPC 供电解决方案很重要？

虽然用于实施高性能稳压器的拓扑和架构很重要，但封装技术也很重要。Vicor 的 SM ChiP（Converter housed in Package）封装将无源、磁性、FET 和控制等所有组件都集成在一个统一的器件中。

此外，该封装经过精心设计，能够以最低的热阻抗，实现最高效的电流提取，从而可增强散热性。许多 SM-ChiP 还包括通过器件重要表面实现的接地金属屏蔽。这不仅有助于散热，而且还可将高频率寄生电流旁路，以防止将其传播到器件外。

如何在 48V 中间母线电源系统中使用原有 12V 单元？

随着系统功率不断提高，各数据中心正纷纷部署 48V 供电网络 (PDN)；基于 48V 的架构在保持安全超低电压 (SELV) 水平的同时，可最大限度提高供电网络的效率。

因此，开放式计算机项目 (OCP) 正在通过其开放式机架标准 V2.2 为向 48V 过渡提供支持，这不仅可满足分布式 48V 服务器背板架构的需求，而且还可为 AI 开放式加速器模块 (OAM) 提供 48V 标准工作电压。

这些新标准要求 48V 至 12V 与 12V 至 48V 兼容，以便为处理器的原有 12V 背板及 12V 多相位 VR 提供支持。然而，常规 1/8 及 1/4 开放式框架砖型转换器非常笨重，无法满足先进系统的功率密度需求。此外，常规转换器拓扑的低效率会降低 48V 的配电增益。

Vicor 推出的全新高密度、高效率模块解决方案可用于将 48V 至 12V 系统与 12V 至 48V 系统桥接起来。这些固定比率的稳压转换器以其固有的效率优势实现了 48V PDN 部署，同时减轻了重新设计 12V 传统系统的负担。这些转换器不仅设定了新的功率转换性能标准，而且还带来了面向各种应用需求的选项。

数据中心的电源使用效率 (PUE) 对高性能计算供电网络有何影响？

数据中心的 PUE 反映了进入数据中心的电力有多少用于非计算工作、有多少用于计算机 PDN。

Vicor 如何设计高效的 AI/HPC 供电网络？

虽然每个设计都各不相同，但 Vicor 会通过有条不紊的七个步骤来优化有特定用途的 PDN：

1.了解整个应用。应用的主要功能是什么，哪些与电源相关的功能可以实现进一步提升？

2.看看客户过去和现在的解决方案，弄清楚我们可以改进的地方。

3.检索需求（CART 文件）并推荐相应的 PRM 和 VTM。

4.基于现有评估板准备的原理图和布局。

5.经过现场及工厂应用的彻底审核后，客户制作了一些测试板。

6.然后将这些测试板放在工作台上，运行多种类型的测试（针对瞬态、相位/增益裕度等进行环路调谐）。

7.一旦客户满意，我们就会保存上一步的所有设置，然后将信息发给工厂进行批量生产。

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