數(shù)據(jù)中心低電壓大電流發(fā)展下，48V架構(gòu)才是“正道”

“未來幾年，我們能夠看到48V架構(gòu)會出現(xiàn)在云計(jì)算、高性能計(jì)算以及廣泛的市場概念應(yīng)用范圍內(nèi)的AI領(lǐng)域等應(yīng)用中”，Vicor市場經(jīng)理孟令沖在OCP CHINA DAY 2021大會期間這樣為記者介紹。

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅猛，其中算力幾乎是肉眼可見。行業(yè)正急速靠近摩爾定律的瓶頸，為了繼續(xù)增強(qiáng)算力，近年算力巨頭紛紛推出XPU產(chǎn)品，數(shù)據(jù)和計(jì)算量都正在指數(shù)級增長。

對于大型數(shù)據(jù)中心來說，隨著算力的巨幅提升，電流也在迅速增長。這種增長態(tài)勢之下，48V架構(gòu)因其多重優(yōu)勢，被諸如谷歌這種巨頭所采用。作為48V架構(gòu)專家的Vicor為記者詳細(xì)介紹行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與其深耕多年的成果。

低電壓大電流下的兩個(gè)挑戰(zhàn)：從12V到48V

“低電壓和大電流的行業(yè)趨勢會電源設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)性”，Vicor高級工程師楊周這樣為記者介紹。

他展示了一組數(shù)據(jù)，自2000至2021年，CPU、GPU、ASIC、FPGA等XPU的工作電流產(chǎn)生明顯上升的趨勢，這種上升趨勢源自算力的上升，與此對應(yīng)的工作電壓便是緩慢下降的過程。目前，這種趨勢已觸及交匯點(diǎn)，2021年工作電流大約在1200A，工作電壓約為0.8V。

然而，趨勢并非可逆的，這是因?yàn)殡娏骱碗妷鹤兓厔莞S著晶圓制造的進(jìn)程而變化的，即12nm-10nm-7nm-5nm-3nm的變化下單位面積下晶體管數(shù)量越來越多，對應(yīng)的晶體管承受電壓率越低，這種趨勢還會持續(xù)向下走。

在這種電壓繼續(xù)下降、電流繼續(xù)上漲的情況下，對于電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是持續(xù)，而且是越來越有挑戰(zhàn)的。具體來說，會帶來兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

1、“最后一英寸”（Last inch）

據(jù)介紹，傳統(tǒng)12V供電架構(gòu)下，服務(wù)器板的負(fù)載點(diǎn)與 XPU 之間的“最后一英寸”（包括主板PCB以及 XPU 插座內(nèi)的互聯(lián)）已成為限制 XPU 性能和總體系統(tǒng)效率的一個(gè)因素。雖然毗鄰XPU放置的大電流負(fù)載點(diǎn)電源架構(gòu)可降低主板內(nèi)的配電損耗，但無法解決 XPU 和主板之間的互連難題。

楊周繼續(xù)補(bǔ)充說明：“假若工作電流還在200、300A時(shí)，大概計(jì)算出來的FIR也只有20、30W，相對幾百瓦的CPU來說可以忽略不計(jì)。但在電流急劇上漲到1000A時(shí)，損耗能到達(dá)400W，而這種損耗是純粹的PCB損耗。在損耗之下，系統(tǒng)的供電效率會降低到50%以下，這種系統(tǒng)效率之下基本可以宣告設(shè)計(jì)失敗?！?

“如果整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到48V，效率將會提高30%”，楊周表示，這也是云數(shù)據(jù)中心提供商紛紛將內(nèi)部電源總線升級為48V的重要原因。

2、PCB空間的局限性

雖然性能和算力一直在提升，但業(yè)界普遍需求PCB板不變甚至縮小。在這種情況下，CPU/GPU和連接器占據(jù)了板子一半空間，內(nèi)存作為算力比拼的核心占用空間也越來越大，網(wǎng)絡(luò)交換處理器和高速收發(fā)器設(shè)計(jì)方案占用空間也越來越大。

需要注意的是，在集群計(jì)算中，PCB空間更加緊張。這種方案已經(jīng)到達(dá)晶圓級/PCB級的XPU切割，這種情況下的互連更加方便。但這種PCB空間下無疑是對電源設(shè)計(jì)的更大的挑戰(zhàn)。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)的12V電源會占用更多的PCB面積，在散熱方面要求更高，假若不能滿足電源需求，則很可能會限制CPU的工作性能。因此，這也是將電源總線升級為48V的另一個(gè)重要推動(dòng)力。

Vicor的48V解決方案：為客戶提供兩個(gè)選項(xiàng)

上文也有講到，在面對低電壓大電流挑戰(zhàn)下，從12V轉(zhuǎn)到48V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高效率的重要解決方式。作為最先推出48V至負(fù)載點(diǎn)模塊的廠商，Vicor的數(shù)據(jù)中心供電方案已經(jīng)贏得了包括NVIDIA、英特爾、寒武紀(jì)、天數(shù)智芯、谷歌等在內(nèi)的多家客戶，大規(guī)模應(yīng)用于從48V直接為XPU供電的主板中。之所以廣受青睞，這是因?yàn)閂icor在48V系統(tǒng)架構(gòu)上擁有諸多創(chuàng)新。

在面對“最后一英寸”（Last inch）和PCB空間受限的低電壓大電流挑戰(zhàn)之下，Vicor選擇采用分比式電源架構(gòu)（FPA）取代傳統(tǒng)多相位穩(wěn)壓器以優(yōu)化整體方案。

Vicor的分比式電源架構(gòu)將功率轉(zhuǎn)換分解為單獨(dú)的穩(wěn)壓和變壓功能，這些功能可以單獨(dú)優(yōu)化，最大限度提高性能。穩(wěn)壓模塊可部署在主板上的任何位置，而重要電流輸出模塊電流倍增器則可針對密度、效率和低噪聲進(jìn)行優(yōu)化，并可部署在非常接近處理器的位置。

依托分比式電源架構(gòu)能夠?qū)⒐╇娹D(zhuǎn)化模塊做得非常小、非常薄，這種模塊可以直接從原來的PCB板子上貼在XPU上，消除“最后一英寸”。并且，方案均兼顧高功率密度、高效率、高瞬態(tài)性能和低噪音的特點(diǎn)。

在分比式電源架構(gòu)的基礎(chǔ)上，Vicor憑借在封裝創(chuàng)新方面的豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢，又針對高性能、大電流的XPU處理器推出了PoP（Power-on-Package）模塊化電流倍增器（MCM）。相比傳統(tǒng)的供電方式，其典型的PDN電阻可降至50μΩ。目前，Vicor的電流倍增器已經(jīng)被大規(guī)模用于從48V直接為XPU供電的主板中。

Vicor的分比式電源架構(gòu)提供兩種完美的模塊化電源方案選項(xiàng)，一種為橫向的電源方案，一種為垂直的電源方案，兩種方案將根據(jù)處理器電流進(jìn)行劃分。

1、橫向（Lateral）方案：橫向供電 (LPD)合封電源

LPD電源模塊中的MCM（轉(zhuǎn)換模塊）安裝在XPU側(cè)面，可減少PDN損耗和服務(wù)器電路板層數(shù)，提高瞬態(tài)性能，將峰值電流容量擴(kuò)展到1000A以上，而且還可讓PDN電阻銳降50倍。將MCM布置在基板上，不僅可最大限度降低PDN損耗，而且還可減少電源所需的處理器基板BGA引腳。

LPD旨在支持OCP加速器模塊(OAM)卡及定制AI加速器卡的供電需求和獨(dú)特封裝。這種設(shè)計(jì)有效降低了包括主板PCB以及XPU插座內(nèi)的互聯(lián)等負(fù)載點(diǎn)與XPU之間“最后一英寸”的能耗，進(jìn)一步提升了XPU的系統(tǒng)效率。

2、垂直（Vertical）方案：垂直供電 (VPD)合封電源

VPD主要應(yīng)對的是極高的處理器電流，VPD設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將MCM直接部署在XPU底部。這種垂直結(jié)構(gòu)通過回收XPU周圍寶貴的空間，最大限度降低PDN損耗，集成PoL電容，最大限度提高系統(tǒng)效率和XPU性能。與LPD相比，這可將PDN電阻再降低達(dá)10倍之巨。

垂直供電的另一項(xiàng)優(yōu)勢是為高速I/O和存儲器開放了上層PCB的電路板面積。VPD采用與VicorLPD解決方案類似的電流倍增器，但將通常部署在處理器下方的高頻率旁路電容集成在與MCM連接的變速器封裝中。此外，該變速器還允許對從MCM的輸出引腳到處理器電源引腳的間距進(jìn)行必要的修改，其輸出電源引腳也與處理器或ASIC的電源映射相匹配，可最大限度提高性能。

Vicor對48V系統(tǒng)的理解：以創(chuàng)新為基因

通過上述的Vicor方案不難看出，48V直接為XPU供電的優(yōu)勢巨大，而Vicor在此基礎(chǔ)上憑借分比式電源架構(gòu)（FPA）和電流倍增器（MCM）劃分為橫向供電 (LPD)和垂直供電 (VPD)兩種方案。

反觀整個(gè)行業(yè)，實(shí)際上48V供電已經(jīng)被市場所接受了，是市場既定的趨勢。48V供電不僅在數(shù)據(jù)中心大放光彩，同時(shí)在汽車、ATE、高性能計(jì)算上也廣受認(rèn)可。

“48V的方案最早的是從IBM和谷歌發(fā)布的，接著歐洲和美國也進(jìn)行了發(fā)布。而后國內(nèi)OCP也開始布局，諸如OpenRack3.0方案。從12V到48V轉(zhuǎn)換是行業(yè)的趨勢，這已經(jīng)成為行業(yè)巨頭廣為關(guān)注的關(guān)鍵的架構(gòu)”，Vicor中國銷售總監(jiān)、數(shù)據(jù)中心及超級計(jì)算負(fù)責(zé)人陳新軍如是說。

孟令沖對記者介紹，電源的功率密度和電流密度從過去到現(xiàn)在發(fā)生了天翻地覆的變化。2012年-2019年間，功率密度從每立方英寸0.8千瓦提高到10千瓦，負(fù)載點(diǎn)電流密度從0.8A增長到2A。從更長遠(yuǎn)的時(shí)間點(diǎn)來看，1984年至2021年間，電源密度提升則高達(dá)500倍之多。之所以取得如此重大進(jìn)步，48V領(lǐng)域?qū)τ谘葸M(jìn)給予了大力的支持。

“誠然，48V是現(xiàn)在的方向，但傳統(tǒng)服務(wù)器中90%還是12V系統(tǒng)，另外一些服務(wù)器還是需要48V和12V混搭方案的”，因此在圍繞48V方面上，Vicor是這樣劃分?jǐn)?shù)據(jù)中心電源產(chǎn)品的：

1、48V至負(fù)載點(diǎn)模塊：即上述的橫向供電 (LPD) 合封電源與垂直供電 (VPD)合封電源兩個(gè)方案。

2、48V與12V的橋接：主要為廠商提供12V和48V間轉(zhuǎn)化的模塊產(chǎn)品，其中NBM2317是典型方案，NBM2317采用不足3.3立方厘米的封裝，提供48V至12V雙向轉(zhuǎn)換，在750W穩(wěn)定功率和1kW峰值功率下，支持98%的峰值效率。

3、高壓DC模塊和AC/DC直流電模塊：傳統(tǒng)電源方案還是Silver Box，Vicor認(rèn)為這種技術(shù)功率密度的提升速度較慢，其方案也進(jìn)行了創(chuàng)新。

高壓DC模塊上Vicor的BCM6135轉(zhuǎn)換器是隔離的架構(gòu)，在將高壓電源連接至SELV配電時(shí)可提供必要的保護(hù)，其峰值效率超過97%，并且在額定電流超過30%的情況下工作時(shí)，效率超過96%。產(chǎn)品具有260到410V的輸入范圍和1/8的固定比率轉(zhuǎn)換，能夠提供與48V配電兼容的輸出。

AC/DC模塊PFM9280是可實(shí)現(xiàn)5kW功率輸出，而其大小僅相當(dāng)于iPad的面積，并支持并聯(lián)。PFM是市場上最纖薄的AC-DC解決方案。VicorVIA封裝使設(shè)計(jì)者能夠高效地將電源封裝到系統(tǒng)散熱管理解決方案內(nèi)?！皞鹘y(tǒng)220V轉(zhuǎn)12V轉(zhuǎn)48V，但為了實(shí)現(xiàn)更高電源密度，應(yīng)該轉(zhuǎn)向三相380V供電系統(tǒng)”，楊周如是說。

“Vicor自1981成立已有40年歷史，公司以創(chuàng)新為基因，研發(fā)費(fèi)用占每年?duì)I收16%左右，擁有170個(gè)專利，在配電網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、組件、封裝方面均有許多創(chuàng)新”，陳新軍向記者介紹，Vicor的創(chuàng)新在四大方面，分別是創(chuàng)新架構(gòu)、獨(dú)特的控制系統(tǒng)、先進(jìn)的拓?fù)?、專有的組件及封裝。