配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)是所有電源系統(tǒng)的主干部分。隨著系統(tǒng)電源需求的不斷上升，傳統(tǒng)PDN承受著提供足夠性能的巨大壓力。對(duì)于功耗和熱管理而言，主要有兩種方法可以改善PDN對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響。一是使用更大線纜、連接器和更厚主板電源層減少PDN電阻；二是在給定的傳輸功率下，提高PDN電壓以減小電流，這允許使用更小的線纜、連接器和更薄的主板銅箔電源層，從而可縮減相應(yīng)的尺寸、成本和重量。
多年來，工程師一直使用第一種方法，因?yàn)樵摲椒ㄅc數(shù)十年來為單相AC及12VDC-DC轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器構(gòu)建的大型生態(tài)系統(tǒng)兼容。其它原因還包括DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫阅懿蛔悖瑹o法高效將更高電壓直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)(PoL)電壓，以及這些電壓更高的轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器的相關(guān)費(fèi)用等。
然而，現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)使用第二種方法的越來越多，提高PDN電壓。這一趨勢(shì)的推動(dòng)力源于系統(tǒng)負(fù)載功率的顯著提升。以數(shù)據(jù)中心為例，人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入，使機(jī)架功率迅速上升到了兩倍，達(dá)到20kW范圍，而超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架則已接近100kW或更高。
理想的負(fù)載點(diǎn)電源系統(tǒng)。穩(wěn)壓器在Vin=Vout時(shí)提供最高效率。大電流供電最接近負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率最高，從而可最大限度降低I2R損耗。
這一電源需求的增長促使系統(tǒng)工程師對(duì)其整個(gè)PDN進(jìn)行了重新評(píng)估，從機(jī)架到機(jī)架內(nèi)部的配電，乃至服務(wù)器刀片上的PDN，無一例外，因?yàn)楝F(xiàn)代CPU和AI處理器功耗更大。機(jī)架功率為5kW水平時(shí)，單相AC到機(jī)架是正常的。然后將AC轉(zhuǎn)換為12V，配送給服務(wù)器刀片。功率為5kW時(shí)，PDN電流為416A(5kW/12V)，配電通過大量線纜進(jìn)行。
處理器功率大約從2015年開始急劇上升，因此機(jī)架電源上升到了12kW。所以，必須在12VPDN的機(jī)架內(nèi)對(duì)1kA電流進(jìn)行管理。OCP(開放計(jì)算項(xiàng)目)聯(lián)盟成員主要包括云計(jì)算、服務(wù)器和CPU公司，該聯(lián)盟將一如既往地發(fā)展其12V機(jī)架設(shè)計(jì)。OCP機(jī)架從線纜轉(zhuǎn)移到了母線排，并在機(jī)架內(nèi)分配多個(gè)單相AC至12V轉(zhuǎn)換器，以最大限度縮減機(jī)架到服務(wù)器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機(jī)架供電的主要差異是，以前來自于機(jī)架饋電的單相交流電為三相中的單相。
能夠構(gòu)建其自己的機(jī)架及數(shù)據(jù)中心解決方案的公司開始轉(zhuǎn)而采用48V配電。這一策略將12kW機(jī)架的大電流PDN問題削減到了250A，但為刀片服務(wù)器的功率轉(zhuǎn)換帶來了新的難題。
通過“最后一英寸”傳輸大電流，為高功率處理器設(shè)置了障礙。Vicor技術(shù)不僅可提高這一性能，而且還可簡化主板設(shè)計(jì)。
機(jī)架電源超過20kW的范圍時(shí)，服務(wù)器機(jī)架PDN設(shè)計(jì)將不斷發(fā)展。人們?yōu)榱司S持12V原有系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在許多方面都得有創(chuàng)新，但數(shù)據(jù)中心引入AI的處理器穩(wěn)態(tài)電流超過1000安培、峰值電流接近2000安培時(shí)，就會(huì)讓基于12V傳統(tǒng)的PDN不切實(shí)際。AI的核心是性能，而12VPDN則會(huì)限制性能和競爭力。
為了解決高功率機(jī)架的諸多難題，OCP聯(lián)盟正在向可容納48VPDN的機(jī)架發(fā)展。從12V配電轉(zhuǎn)向48V，可將輸入電流需求降低4倍(P=V×I)，將損耗銳減16倍（功耗=I2R）。此外，汽車、5G、LED照明和顯示屏市場以及工業(yè)應(yīng)用，也在向48V配電轉(zhuǎn)型。因此，48V電源轉(zhuǎn)換器生態(tài)系統(tǒng)正
在迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)用48V有很好的商業(yè)意義。但不是所有的48V轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼凹軜?gòu)都相同。48V轉(zhuǎn)換器市場性能參差不齊，這是一個(gè)值得仔細(xì)考慮的實(shí)際情況。
由于高性能和電源效率位列高功率機(jī)架及數(shù)據(jù)中心需求的榜首，有幾家公司正在采用三相AC至48V，為服務(wù)器刀片配電。另外，也可使用機(jī)架內(nèi)分配的高電壓DC（380V，源自整流三相輸入）。多家高性能計(jì)算公司正在將HVDCPDN用于功率高達(dá)100kW的機(jī)架。
為服務(wù)器刀片供電的PDN轉(zhuǎn)換為48V時(shí)，刀片上的電源轉(zhuǎn)換也必須改變。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了DC-DC轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)壓器在架構(gòu)、拓?fù)渑c封裝的多種選擇。
48V模式對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器而言還很陌生，但在路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等通信應(yīng)用中卻很普及，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖强沙潆姷?8V鉛酸備用電池系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中以前使用的通用架構(gòu)叫中間母線架構(gòu)或IBA。IBA包括隔離式非穩(wěn)壓母線轉(zhuǎn)換器，可將-48V轉(zhuǎn)換為+12V，提供給一系列多相降壓穩(wěn)壓器，用于負(fù)載點(diǎn)。一些云計(jì)算公司和HPC公司最初為其48V系統(tǒng)復(fù)制了這一架構(gòu)，但在功率增加而PoL電壓降至1V以下時(shí)，設(shè)計(jì)人員開始尋找可替代的架構(gòu)和拓?fù)洹?br />
電源系統(tǒng)架構(gòu)、開關(guān)拓?fù)浜头庋b對(duì)于高性能高密度設(shè)計(jì)而言非常重要。隨著AI及CPU處理器電流的增加，由于穩(wěn)壓器和PoL之間的PDN電阻影響，PoL處功率傳遞電路的密度成為人工智能應(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。
業(yè)界一流的最新AI處理器具有大約1kA的穩(wěn)態(tài)電流，峰值電流達(dá)1.5kA至2kA。考慮到處理器常規(guī)多相降壓穩(wěn)壓器輸出的典型PDN電阻在200至400μΩ之間，所帶來的PCB功耗為穩(wěn)態(tài)(P=I2R)200-400W，對(duì)于任何系統(tǒng)來說，都太高了，根本無法處理。
PDN損耗成了DC-DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率及性能的主導(dǎo)因素。這是一個(gè)負(fù)載點(diǎn)問題，而且提高電壓根本不現(xiàn)實(shí)（PoL電壓在快速下降，以維持摩爾定律的有效性），因此唯一可行的方法是減少PDN電阻，將穩(wěn)壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩(wěn)壓器的案例中，通常會(huì)占用16-24個(gè)相位，才能支持AI處理器的大電流。這不是一種高電流密度方案，無法解決PDN功耗問題。
分比式電源架構(gòu)
IBA的替代方案是Vicor的分比式電源架構(gòu)(FPA)，它包含前置穩(wěn)壓級(jí)(PRM)和緊隨其后的變壓級(jí)(VTM)。這一專有架構(gòu)可優(yōu)化每個(gè)階段的性能。PRM執(zhí)行非隔離（48V為安全超低電壓SELV）穩(wěn)壓。其48V輸入經(jīng)過嚴(yán)格穩(wěn)壓，可提供48V輸出，所需的PoL電壓在VTM中轉(zhuǎn)換，VTM是一款固定比率轉(zhuǎn)換器，輸出電壓為輸入電壓的固定比例。
MCM模塊能夠提供大電流，其可緊挨著處理器部署，可以在主板上，也可以在處理器基板上。這種近距離布置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。
這種架構(gòu)及其性能都可通過PRM及VTM中使用的專有拓?fù)湓鰪?qiáng)。PRM使用零電壓開關(guān)拓?fù)洌鳹TM則使用專有諧振高頻率正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC)拓?fù)洹＾D(zhuǎn)換為PoL電壓，可使用零電壓和零電流開關(guān)。VTM實(shí)際上是一款DC-DC變壓器，電壓以1/K的比率降低，電流則按K因數(shù)增加。VTM也叫電流倍增器，是一種高電流密度PoL轉(zhuǎn)換器。（新產(chǎn)品目前可達(dá)到2A/mm2。）它可緊挨著處理器布置，因?yàn)樗捎脛?chuàng)新ChiP封裝技術(shù)并支持高密度集成磁組件。
這種水平的高電流密度可為設(shè)計(jì)人員提供極大的靈活性。工程師可根據(jù)處理器電流，在橫向供電或縱向供電（LPD及VPD）之間做出選擇。在LPD中，電流倍增器布置在AI處理器的幾毫米范圍內(nèi)，可在同一個(gè)基板上，也可以直接在主板上，從而可將PDN電阻降至大約50μΩ。
縱向供電(VPD)可進(jìn)一步消除配電損耗及VRPCB板面占用。VPD與VicorLPD解決方案類似，在電流倍增器或GCM模塊中增加了對(duì)旁路電容的集成。
為了進(jìn)一步提高性能，VPD將電流倍增器移到了處理器的正下方，在那里其輸出功率引腳位圖與其上方的處理器電源引腳的間距和位置非常吻合。此外，電流倍增器封裝還集成高頻率大容量電容器，其一般位于主板或基板上的處理器的正下方。這種電流倍增器叫齒輪傳動(dòng)電流倍增器(GCM)。VPD可將PDN電阻降至令人難以置信的5至7μΩ，從而可幫助AI處理器實(shí)現(xiàn)其真正的性能。
對(duì)于如此復(fù)雜的電源問題，一個(gè)整體的設(shè)計(jì)方法才能確保獲得成功的高性能結(jié)果。需要對(duì)架構(gòu)、拓?fù)湟约胺庋b進(jìn)行創(chuàng)新，才能解決最艱巨的電源挑戰(zhàn)。提高PDN的電壓，可解決大量系統(tǒng)性能挑戰(zhàn)。降低PDN電阻是開啟新一代HPC電源大門、兌現(xiàn)AI承諾的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)：Vicor官網(wǎng)：www.vicorpower.cn