大數(shù)據(jù)+人工智能正在滲透著無(wú)數(shù)個(gè)行業(yè)，其對(duì)高性能計(jì)算需求日益增長(zhǎng)。而數(shù)據(jù)中心是支撐計(jì)算服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。用來(lái)傳遞、加速、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。因人工智能的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心承擔(dān)的數(shù)據(jù)吞吐量大幅提升，要求負(fù)載不斷增加，提高數(shù)據(jù)中心尺寸和密度也變的迫在眉睫。以配電架構(gòu)為例，當(dāng)電源需求量增大時(shí)，傳統(tǒng)的12V已不能滿(mǎn)足終端產(chǎn)品對(duì)電力增加的需求，48V供電電壓解決方案應(yīng)運(yùn)而生。事實(shí)上提高配電電壓并非容易，電源模塊專(zhuān)家Vicor公司通過(guò)高性能、高密度的模塊化電源解決方案解決了電壓提升的痛點(diǎn)。
低電壓大電流需求帶來(lái)的挑戰(zhàn)
人工智能時(shí)代是追求算力的時(shí)代，然而算力的提升伴隨的便是電流迅速的增長(zhǎng)，而另一方面電壓則是緩慢下降的過(guò)程。下圖可見(jiàn)，2020到2021年，CPU、GPU、ASIC、FPGA等AI芯片的耗電明顯上升，2021年AI芯片供電電流已達(dá)1200A，電壓約達(dá)0.7、0.8V。Vicor高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師楊周解釋說(shuō)，這是因?yàn)榇ぞ揞^臺(tái)積電、中芯國(guó)際都在提升晶圓的制程，由原來(lái)的12nm到3nm，晶體管的數(shù)量增多，單位面積加大，所帶來(lái)的便是電流的增長(zhǎng)，損耗的增加，當(dāng)制程越小時(shí)，晶體管承受的電壓越低，意味著XPU計(jì)算效率就會(huì)降低。這種趨勢(shì)為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。Vicor是如何應(yīng)對(duì)低電壓大電流需求所帶來(lái)的挑戰(zhàn)呢？
分比式架構(gòu)去除最后一英寸，降低損耗，節(jié)省空間
分比式電源架構(gòu)是Vicor的創(chuàng)新，其核心是將功率轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓模塊分成二部分，重點(diǎn)是第二級(jí)無(wú)需負(fù)責(zé)穩(wěn)壓，僅具功率轉(zhuǎn)換功能，從而電源面積可以做到小而薄，位置可以放在側(cè)面，布局在距CPU最近的地方，這樣便去掉了最后一英寸。不僅如此，Vicor的垂直電源設(shè)計(jì)，將封裝模塊從原來(lái)的PCB板上直接貼到CPU的背面，不僅減少了額外損耗，還節(jié)省了PCB的空間，留出更多的位置給計(jì)算應(yīng)用。
側(cè)面擺放電源
以2020年英偉達(dá)加速卡為例，基于Vicor六個(gè)小電源模塊解決英偉達(dá)700W電源需求。此卡采用側(cè)面擺放電源實(shí)例，緊挨著GPU兩側(cè)的便是Vicor分布式架構(gòu)的第二級(jí)功率轉(zhuǎn)換模塊，可提供600A/TDC持續(xù)電流，峰值電流可達(dá)1200A，而第一級(jí)穩(wěn)壓模塊則可以距GPU遠(yuǎn)一些不影響效率。
垂直電源設(shè)計(jì)針對(duì)更高功率需求
Vicor DCM3635專(zhuān)為更高功率需求設(shè)計(jì)，高度7.5毫米，內(nèi)部集成Vicor分比式架構(gòu)中的兩個(gè)部分，解決最極端的晶圓級(jí)CPU集群?jiǎn)栴}，直接輸入48V。
GCM3330模塊，高度4.1毫米，僅有第二級(jí)功率轉(zhuǎn)換部分，貼在CPU下面，這種情況下相對(duì)于DCM3635模塊簡(jiǎn)單，且節(jié)省空間。
新一代2.8毫米VTM3108模塊，為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，受眾較多，靈活性強(qiáng)，且P角兼容，可自行根據(jù)需要選擇側(cè)面或垂直擺放，此系列產(chǎn)品已面世，滿(mǎn)足不同客戶(hù)對(duì)電流的需求。
12V到48V互轉(zhuǎn)神器
雖然48V架構(gòu)之路已經(jīng)打開(kāi)，但目前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心仍有90%采用12V架構(gòu)，或者在未來(lái)一段時(shí)間里兩種架構(gòu)仍需混搭使用。為解決這種過(guò)渡問(wèn)題，Vicor可提供從12V到48V互轉(zhuǎn)的方案。以NBM2317為例，該模塊的輸入和輸出可以反向，而且外圍線(xiàn)路不需要做任何的改變，效率可達(dá)98%，相比市場(chǎng)上其他電源模塊有70%的功率密度提升。
高壓直流方案和交流直流方案
上面提到人工智能的發(fā)展，對(duì)算力、功率的需求迅速增長(zhǎng)。下圖可見(jiàn)自2010年機(jī)架功率上漲明顯，尤其2015年以后功率接近直線(xiàn)上升，2020年一個(gè)機(jī)架功率高達(dá)200千瓦，Vicor高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師楊周舉例說(shuō)明：“以前一個(gè)200千瓦可能需要幾間屋子才容的下，現(xiàn)在要求200千瓦放在一個(gè)機(jī)架里面，這對(duì)于供電是很大的挑戰(zhàn)。” Vicor用一些高功率密度的模塊去重新擺放機(jī)架上的電源方案，或側(cè)面或垂直層層平鋪，可以省約出大量的空間，滿(mǎn)足高功率密度應(yīng)用需求。
重新部署AC/DC電源轉(zhuǎn)換
Vicor的高壓直流的電源模塊BCM6135，輸入380V直流電壓，輸出48V，此模塊是分比式架構(gòu)的典型應(yīng)用；另外交流直流電源模塊PFM9280，Vicor將單向改為三向交流直接供電，5000w功耗。在工業(yè)或汽車(chē)上均能得到廣泛應(yīng)用。
總結(jié)起來(lái)，Vicor在數(shù)據(jù)中心的三大類(lèi)電源產(chǎn)品，包括被稱(chēng)為移除最后一英寸的48V母線(xiàn)電壓架構(gòu)產(chǎn)品、 48V和12V的橋接產(chǎn)品、高壓直流電模塊和AC/DC直流電模塊完全可以應(yīng)對(duì)如今數(shù)據(jù)中心對(duì)大電流低電壓的需求。
堅(jiān)持創(chuàng)新 前瞻布局
Vicor創(chuàng)辦40年以來(lái)一直堅(jiān)持創(chuàng)新發(fā)展，作為擁有170多項(xiàng)專(zhuān)利的全球電源模塊技術(shù)公司，其始終走在配電網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、組件、封裝方面的最前沿。值得一提的是公司創(chuàng)始人兼CEO Patrizio Vinciarelli先生在2019年獲得IEEE William E.Newell“電力電子杰出人物“大獎(jiǎng)，得益于其在配電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的眾多專(zhuān)利，比如零電流、零電壓的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洹⒎直仁诫娫醇軜?gòu)，充分利用電流倍增模塊，使得在不足1V的電壓下提供數(shù)百A的電流，Vicor亞太區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理孟令沖介紹說(shuō)。
該公司早在2007年就開(kāi)始傾心研發(fā)48V配電架構(gòu)，如今相關(guān)方案已被谷歌、英偉達(dá)等巨頭公司采用，并經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的考驗(yàn)，現(xiàn)已成熟。除數(shù)據(jù)中心外，工業(yè)、汽車(chē)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、LED、軌道交通、ATE等領(lǐng)域都在朝48V方向推進(jìn)，可以說(shuō)48V時(shí)代已正式來(lái)臨，作為生態(tài)鏈中的一員，Vicor有實(shí)力引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，推動(dòng)生態(tài)完善。 |
