迎接1000A核心電源之挑戰

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處於現今資訊爆炸的時代,網路傳輸的速度愈來愈快,資料中心(Data center)、 5G、高效能運算(HPC) 、人工智慧(AI)、圖形處理器(GPU)等等的資料處理量與運算能力需求愈來愈高、愈來愈強,也由於半導體晶圓製程精進的緣故,核心晶片(CPU/GPU/ASIC/FPGA,簡稱xPU/ASIC) 之操作工作電壓會愈來愈低 (<1V),相對的電流也會愈來愈高 (>1000A)。

 

如圖一所示,從西元2000元核心晶片(xPU/ASIC)所需電流為300A~400A(安培),緊接著2010年倍增到需求電流到600A以上,導致2020年很快就面臨到1000A甚至1200A以上的電流需求。

vicor 圖一、CPU/FPGA峰值電流的要求在逐步提高 (來源:Vicor)
  • 1000A以上的大電流設計將面臨到的挑戰

1. 整體系統效率(Efficiency)-能源問題
2. 系統板的面積
3. 熱的問題
4. 如果不滿足功率需求,可能會限制核心晶片(xPU/ASIC)的運行性能
5. 雜訊Noise 干擾問題

 

為了改善以上問題,茂綸所代理的Vicor產品線,提供了輸入電壓為48V的PRM (Pre-Regulator Module)與VTM (Voltage transformation Module)高整合度電源模組,再搭配CTO (Digital Control, Telemetry, Observability)的數位控制器, 直接提供1000A以上電流給核心晶片 (xPU/ASIC)電源 (如圖二所示)。

vicor 圖二、Vicor Core power solution (PRM+ VTM)

如果輸入電壓改成48V能帶來甚麼好處? 能否取代原來12V的架構?

在市電110~220VAC供電下,因轉壓比的特性,48V可以較容易做到較高的效率, 讓整機的效率可以提高一些,且在系統板上提供相同的輸出功率的條件下,48V比12V所需的輸入電流可以減少到1/4,損耗會減少到1/16,也能大大的減少了系統板電路板PCB的面積。

 

核心電源的電流愈大會凸顯出PDN(Power Distribution Networks)對整個系統功耗的重要性PDN是種無形的損耗,常常會被忽略掉,當電流愈大時,PDN造成的損耗會愈大。舉例來說300A的電流、300μ歐姆的阻抗,PDN在整個系統上會有27瓦的損耗;如果電流達到1000A,PDN的損耗將會高達300W,這樣的損耗也會讓系統板上增加了熱的問題,因此要提高整機的效率的話,降低PDN將會變成一個很重要的任務,而要降低PDN最簡單的方式就是將供電的電子元件盡可能的去靠近核心晶片 (xPU/ASIC)擺放,但此元件通常會有訊號切換干擾的問題產生,一般來說xPU/ASIC都是比較敏感的,非常的容易受到雜訊干擾,按照傳統作法又會將供電元件與xPU/ASIC保持一定的距離。

vicor 圖三、PDN(300μ歐姆)功率與效率圖
1228-vicor-02.jpg
 橫向(水平)供電垂直供電
PDN~80μ歐姆

~40μ歐姆
PDN損耗@500A

20W10W
PDN損耗@1000A

80W40W

表一、橫向(水平)與垂直供電的比較

vicor 圖四、橫向 (水平)供電
vicor 圖五、垂直供電

Vicor致力於研發高整合度的電源模組,提供極高的電流密度,以減少PCB的面積空間。在核心電源方面可以提供高效率、大電流、小空間、低雜訊干擾、設計彈性高,可以透過PMBUS來做動態的輸出的電壓調整讓核心電源的設計變得比較容易。

參考文獻

  1. VICOR, High power converters for all standard industry input voltages, https://www.vicorpower.com/zh-tw/

  2. Maurizio Di Paolo, Next-Gen AI Processors Need 48 V, https://www.eeweb.com/next-gen-ai-processors-need-48-v/