垂直供電實現尖端資料處理

作者：Ajith Jain，全球運算、通訊及消費類產品事業部副總裁

隨著先進工藝節點的出現，高效能人工智慧（AI）處理器的功率不斷上升，內核電壓則在不斷下降。 這些發展給電源系統設計人員帶來很大挑戰，例如需要管理因為供電網路（PDN）阻抗壓降不斷上升的而引起大電流低電壓處理器電源引脚間的電壓梯度、瞬態效能規格以及功耗等難題。

以集群運算為例，緊密排列的處理器陣列可提高機器學習的速度和效能。 PDN 的複雜性顯著增加，因為電流傳輸必須從陣列的下方垂直進行。 設計 PDN 時在負載點使用 Vicor 分比式電源架構（FPA™) 和電流倍增器，代替傳統平均功率科技，可顯著提高效能。 這要歸功於高品質的負載點（PoL）電源組件：高電流密度、組件數更少，而且更為重要的是高度靈活的佈置。 因此，PoL 電源組件可為 AI 處理器內核和記憶體實現橫向或垂直傳輸電流，是因為最大限度降低了 PDN 阻抗。

現代 GPU 有數百億個電晶體。 新增處理器效能的代價是，呈指數級增長的電源需求。 在大多數情况下，供電現已成了運算效能的限制因素。 供電不僅涉及配電，而且還涉及效率、規模、成本和散熱效能。

目前典型的 GPU 峰值電流的需求高達 2000A。 為響應這些需求，一些 xPU 公司正在評估多路供電方案，將主要內核供電線路分成五組以上較小電流電源輸入。 每個線路的 PDN 在經歷單獨嚴格穩壓的同時，仍須提供大電流，這為 PDN 的密度及其在加速卡上的物理位置帶來了壓力。

高度動態性的機器學習工作負載將導致持續數微秒的高 di/dt 瞬態，進一步新增了這種複雜性。 這些瞬態將在高效能處理器模組或加速卡的 PDN 處理上產生很大挑戰。

開放式運算項目（OCP）聯盟的工作有助於建立基於機架及板卡的處理器開發標準框架。 開放式機架標準 V2.2 為主要用於 AI 和機器學習工作負載的開放式加速器模組（OAM）定義了 48V 服務器背板和 48V 工作電壓。為了保持與原有 12V 系統的相容性，該標準規定了符合 12 至 48V 及 48 至 12V 要求的效能。

技術進步主要集中在電壓值調節的下降趨勢、對內核電壓精度的要求更趨嚴格以及電流的上升趨勢。 在電路板層面，這些因素的影響以多種方式體現。

遇到的峰值電流密度對任何 PCB 都很極端。 對能處理這些巨大負載的電源路徑進行佈線的任務需要格外注意。 高動態工作負載會產生尖峰瞬態電壓，這些尖峰電壓對精密的處理器具有潜在的破壞性。 然而，一個處理器電路板有數百個其它的無源組件、記憶體以及對運行至關重要的 IC，它們也需要放置它們。

然後就是 I²R 損耗：電源路徑長度一定要短，因此電源轉換模塊應該儘量靠近處理器，處理器就近取得電流並减少熱量消耗。

分比式電源架構

全新的理念、架構、拓撲和科技可提供一條通向更可靠的可擴充 PDN 的道路。 Vicor 分比式電源架構（FPA）是為當下前所未有的高效能運算需求提供更高效電源的基礎。

Vicor FPA 將電源轉換器的任務劃分為穩壓和變壓的不同專用功能。將這兩種功能分開，可對其進行單獨優化，以實現高效率及高密度。FPA 與正弦振幅轉換器（SAC）拓撲共同支撐了多個創新的電源架構，幫助釋放當前處理器的高效能。

橫向供電是一項創新技術，其中兩個電流倍增器（Vicor VTM™ 模組）位於處理器的南北側或東西側。該技術適用於標稱電壓為 0.8V 時約 800A 的負載電流，在 100°C 下，PDN 的相關抗阻為 70μΩ。這種架構非常適合為圖形加速卡（OAM 或其它產品）供電，並用於為超大規模資料中心或超級運算機機櫃的 ASIC 和 APU 聯網。

橫向-垂直供電科技與橫向供電科技相似，但也有一點差异：只有 70% 的功率是通過處理器側面的電流倍增器橫向傳輸的。處理器底部的另一個電流倍增器將剩餘 30% 的負載電流直接傳輸至處理器 BGA。 橫向和縱向的混合可將 PDN 損耗銳減至原來的四分之一！此外，該技術還可釋放電路板空間，以容納電路板頂部處理器的次級大電流（aux）軌或 HBM 存儲軌。

另一方面，垂直-橫向供電還可通過新增處理器底部的電流倍增器數量來分擔接近超過 50% 的負載電流。 與橫向-縱向方案相比，該技術可使 PDN 損耗再减一半。 一個 1200A 的設計現在可實現僅 10µΩ 的 PDN 抗阻，從而可實現小於 14.4W 的功耗。 在這種情況下，散熱器可在空間允許的情况下為負載的頂部和底部散熱。這種架構對於那些必須容納來自電路板頂部 ASIC 外圍的高速訊號路由的應用特別有效，因此在那裡無法放置更多電源組件，例如 CPO、NPO 以及網路/寬帶通訊器件。

垂直供電是以最低 PDN 抗阻在處理器內核低電壓下提供大電流的最終方式。 在這種情況下，電流倍增器和旁路電容器一起堆疊，形成一個集成電源模組（Pin 針重新適配的變速電流倍增器），可取代旁路電容器組合，直接安裝在處理器下麵。 Vicor GCM 是量身定制的器件，不僅可將電流倍增器插腳引線映射至 AI 處理器 BGA，而且還可提供模組本身所需的所有旁路電容器。 這種技術使得那種需要處理器週邊的 PCB 佈滿高速訊號路由的應用更為方便，例如 CPO（合封光學器件、網路處理器）和高速訊號 ASIC 等應用可以利用這種供電科技。

Vicor 架構非常靈活，完全能够適應各種高效能運算場景。 Vicor 架構可將主機板抗阻銳降至1/50，還可將處理器電源引脚數銳減至 1/10 以下。 利用 FPA 功率分比架構，Vicor 可通過將橫向供電（LPD）和垂直供電（VPD）完美結合，最大限度减少“最後一英寸”抗阻。 所有這些均可幫助處理器實現以前無法實現的效能，為呈指數級增長的 HPC 處理需求提供有力支持。

FPA 架構在電流密度以及降低 PDN 功耗方面是無與倫比的。 專有的架構、拓撲和小巧的模組尺寸在電源行業中獨一無二。新一代處理器需要能够適應、擴充並能提供高密度電源的電源架構。 在電源需求日新月异的動態系統中，結合創新拓撲、穩健而可靠的電源模組必不可少。為了滿足這一永恒需求，不僅需要創新，而且還需要能够使用模組化電源來適應和擴充未來應用。

Jain 先生自 2011 年 9 月起擔任我們的高效能運算業務部副總裁。 加入公司之前，2009 年至 2011 年，Jain 先生受雇於 Semtech 公司，擔任電源行銷業務部總監。 他曾在美國國家電晶體公司，一家電源轉換器、混合訊號及網絡集成電路製造商，擔任過多個職位，任職於不同的國家和地區，包括印度和中國香港地區，最後主要在美國為電源管理產品部做戰略行銷工作。 Jain 先生先後畢業於印度卡納塔克大學（University of Karnataka）和美國加州伯克利 HAAS 商學院（the Berkeley HAAS School of business），分別獲工商管理學士學位和商業管理學位。

全球運算、通訊及消費類產品事業部副總裁