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独家专访——采用 48V 分比式电源架构为 AI 处理器供电

Vicor 的 48V 分比式电源架构（FPA™）突破了传统多相电源系统在 AI 处理器供电领域所面临的扩展性与热管理限制。该架构将电源转换过程分为稳压与电流倍增两个环节，从而最大程度降低配电通路电阻，减少热损耗。采用 FPA 架构可节省数十兆瓦的电力消耗，降低运营成本并提升数据中心的算力。

与战略营销总裁 Maury Wood 的问答

在本次问答中，我们将探讨电流倍增与解耦转换级。这两项技术均突破了传统多相方案的局限性，并显著降低了高需求负载下的 I²R 热损耗。

为 AI 处理器供电并非一项简单的供电设计任务，而是当今最具挑战性的电源工程难题之一。传统的多相稳压方案在电流增益与电流密度两个维度上均存在不足，而这两者对于高功率负载而言均至关重要。

48V 分比式电源架构（FPA）的概念基础非常简单。然而，这种同时实现高电流密度与高电流增益的设计创新，则独具匠心。

在以下书面采访中，All About Circuits 与 Vicor 战略营销副总裁 Maury Wood 探讨了 FPA 技术。

分比式电源架构的工作原理

All About Circuits：分比式电源架构将 DC-DC 电源转换分为两个功能级——先稳压，后变压。而业界标准的中间母线架构（IBA）则先进行变压，再进行稳压。为何 FPA 优于 IBA？

Vicor：晶圆级与面板级 AI 超级处理器所需电流可达 30 至 40kA TDA，采用 48V 供电网络（PDN）作为负载点（PoL）DC-DC 转换器的输入，可带来显著优势。在 FPA 架构中，PoL 转换器即为电压转换模块或电流倍增模块。48V PDN 的电流消耗仅为 12V PDN 的四分之一，为 6V PDN 的八分之一。

根据欧姆定律，功率损耗的计算公式为电流平方与载流走线或导线电阻的乘积。这意味着，12V PDN 与 6V PDN 的功率损耗分别为 48V PDN 的 16 倍与 64 倍。对于需要 30 至 40kA 电流的 AI 超级处理器负载而言，此类热损耗之高，已令人难以接受。

如图 1 所示，分比式电源架构相较于多相方案具有三大优势：降低中间母线 PCB 发热；允许背置解耦电容紧贴负载放置；以及使前端稳压级可在 PCB 上实现，而无需承受过重的热管理负担。

图 1：48V 分比式电源架构采用先稳压后变压的方式。

All About Circuits：变压模块 (VTM) 是一种固定比率转换器，这意味着它并不对电压进行稳压，而是按照其设计所确定的固定比率对电压进行降压（变换），并对电流进行倍增。那么，稳压是如何实现的？

Vicor：稳压由上游的降压或升降压稳压模块完成，该模块根据 K 因子与负载的目标电压，将供给 VTM™ 的电压精确稳定在设定水平。例如，若 K 因子为 1/48，目标负载电压为 1V，则 VTM 的输入电压将被精确稳压在 48V。

All About Circuits：AI 处理器对瞬态响应规格有着严苛的要求。Vicor 的 FPA 架构如何应对这些需求？

Vicor：Vicor 最新一代 48V FPA 技术支持极快的瞬态响应，这得益于其专有的超高带宽控制环路，该环路充分利用了 VTM 电流倍增器的独特特性。经测量，其瞬态响应时间小于 100 纳秒。

应对垂直供电的挑战

All About Circuits：由于为最新一代 AI 处理器供电需要极高的电流，为降低电路板或基板的供电损耗，业界提出了垂直供电（VPD）方案。FPA 架构如何应对 VPD 的挑战？

Vicor：一流的 VPD 方案需要满足两项至关重要的规格指标方能实现最优供电：电流增益与电流密度。若这两项指标无法同时达到高水平，则必须做出权衡取舍，这会导致滑轨（AI 加速器托盘）、机架乃至数据中心的功率损耗显著攀升。

Vicor 的电流倍增器可实现 5A/mm² TDC（连续电流）与 10A/mm²（峰值电流）的电流密度，以及高达 60 倍的电流增益。此外，由于VPD 模块安装在处理器下方，热量在此处局部集中，还面临显著的机械与热管理挑战。Vicor 的电流倍增器厚度仅为 1.5mm，热阻为 0.3°C/W，这进一步简化了其在 AI 训练与推理系统设计中的应用。

电流密度与电流增益的这种组合之所以至关重要，其核心原因在于：电流倍增器可与 PCB 背面的去耦电容共置。如此一来，48V FPA 架构所带来的热损耗减少优势便得以完整保留。

图 2：Vicor 电流倍增器兼具高电流密度与高电流增益。

All About Circuits：在 AI 加速器 VPD 应用中，为何电流增益与电流密度如此重要？

Vicor：首先来看电流增益。多相 TLVR 稳压解决方案通过对输入电压进行平均来为处理器负载点供电。该电压通常为 12V，在 VPD 应用中则为 6V，旨在提高电流密度。采用具有更低 RDS(ON) 值与更低 I²R 损耗的低压 FET，可获得更高的输出电流及更高的电流密度。

以一个 20kW 的晶圆级或面板级 AI 超级处理器为例，其核心供电轨 VDD 为 0.6V，所需电流达 33333A，而 6V 中间母线需导通约 3333A 的电流。若在负载点采用 48V 变压模块电流倍增器，则可将该电流降至可控的 417A。

假设 PCB 或基板阻抗为 200μΩ，48V FPA 的损耗为 35W。相比之下，6V IBA 方案的损耗高达 2.2kW——后者是前者的 64 倍。

这些电流倍增器的连续输出电流（TDC）为 600A，且后续规划将进一步提升至更高水平。高输出电流可最大程度减少 PCB 背面所需的 VPD 模块数量。

高电流密度转换器有助于简化布局摆放并减少性能约束。电流倍增器具有 5A/mm² 的电流密度和较高的瞬态响应带宽，可放置在加速器 PCB 背面至关重要的旁路电容区域。而 6V 多相解决方案的电流密度较低，仅为 2A/mm²，在提供相同总电流的情况下需占用更大的布板面积，通常会挤占关键的旁路电容位置，迫使设计人员采用相对较高的堆叠式电源模块来集成这些电容。这进而带来了机械装配与热管理设计方面的挑战。

最终的效率收益

All About Circuits：从 6V 多相 TLVR 方案转向采用电流倍增技术的 48V FPA 方案，预计可对 AI 工厂的绩效或电源使用效率（PUE）带来多大程度的改善？

Vicor：与 6V 多相 TLVR 架构相比，48V FPA 所节省的热损耗可将 AI 工厂的整体电源使用效率提升数十个基点（1 个基点为 0.01%）。

吉瓦级 AI 工厂预计将于明年初投入使用。假设典型起始 PUE 为 1.20，若改善 50 个基点（降至 1.15），则可节省约 21.7 兆瓦的电力。这相当于在同一市政电力采购协议下，可额外增加 20 个机架的 AI 算力。

该方案将 48V 电压直接送至处理器负载点，从而最大程度减少大电流供电链上的热损耗。经年累月，这些 I²R 损耗的降低，将累积为电力运营支出（OPEX）的显著缩减。

图 3：48V FPA 将电力输送至处理器负载点。

All About Circuits：综上所述，采用 48V 分比式电源架构为 AI 工厂中的处理器供电，其最重要的理由是什么？

Vicor：我们的 FPA 方案将 48V 电压直接送至处理器负载点，最大程度减少了大电流供电链上的热损耗。从运营者的角度来看，I²R 热损耗减少可实现更高的数据中心计算密度，进而转化为更高的投资回报率（ROI）、性能更优的 AI 处理器、更出色的瞬态响应性能以及更简便的热管理。

本文最初由 All About Circuits 发布。

Maury Wood 现任 Vicor 战略市场营销部副总裁。在加入 Vicor 之前，Maury 曾在各种光纤测试与半导体公司担任过高级职务，包括 EXFO、AFL、博通、恩智浦、模拟器件以及赛普拉斯等。他毕业于密歇根大学，获电子工程学士学位，并在美国东北大学、巴布森学院和麻省理工学院完成了研究生学业。Maury 喜欢攀岩、野外滑雪、山地骑行以及爵士贝斯演奏。