在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，高效能運(yùn)算（High-Performance Computing, HPC）正以其強(qiáng)大的計(jì)算能力，不斷突破各個(gè)領(lǐng)域的界限。HPC通過使用由成千上萬個(gè)處理器核心組成的超級(jí)計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)集群，執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，這些任務(wù)通常涉及大量的數(shù)據(jù)輸入，必須具備大量算力和高速數(shù)據(jù)處理能力。USI環(huán)旭電子在這一波市場(chǎng)角逐中，瞄準(zhǔn)AI領(lǐng)域的高度運(yùn)用，以我們自身的強(qiáng)項(xiàng)「3D封裝技術(shù)」切入市場(chǎng)，應(yīng)用在多項(xiàng)HPC模組中。接下來，本文將從HPC的簡(jiǎn)介、挑戰(zhàn)與創(chuàng)新等方面，從正反兩面探討開發(fā)HPC最被重視的議題。

高效能運(yùn)算 (HPC) 簡(jiǎn)介

HPC是利用超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的理論、方法、技術(shù)以及應(yīng)用的一門技術(shù)科學(xué)。處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為HPC系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的計(jì)算資源。現(xiàn)代處理器采用多核設(shè)計(jì)，具備更高的并行處理能力。內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，如DDR5內(nèi)存、PCIe 4.0存儲(chǔ)等，提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更大的容量，滿足HPC系統(tǒng)對(duì)高帶寬和低延遲的需求。

HPC的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋科學(xué)研究、天氣預(yù)報(bào)、模擬等多個(gè)方面。它的多樣化應(yīng)用，使得各個(gè)領(lǐng)域都能夠受益于其強(qiáng)大的計(jì)算能力。然而，盡管取得了顯著的進(jìn)步，但在設(shè)計(jì)和部署HPC系統(tǒng)時(shí)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

高效能運(yùn)算 (HPC) 的供電挑戰(zhàn)

高效能運(yùn)算系統(tǒng)正面臨著功耗和散熱兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)通常由數(shù)量龐大的處理器組成，每個(gè)處理器都消耗大量電力，這使得降低能量耗損成為首要任務(wù)。傳統(tǒng)上，為了降低能量耗損，系統(tǒng)會(huì)采用高電壓供電，然后在微處理器前進(jìn)行多階段轉(zhuǎn)換為較低的電壓。這個(gè)過程中，從DC-DC轉(zhuǎn)換器到微處理器的路徑布線耗損扮演著關(guān)鍵角色。這些轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將12V或48V的直流總線電壓降低到處理器核心所需的特定電壓，同時(shí)將電流提升到所需的水平。

多階供電網(wǎng)路 (PDN) 的損耗與影響

即使穩(wěn)壓器只需向晶片短距離供電，多階供電網(wǎng)路（PDN）仍然會(huì)因?yàn)?a target="_blank">電源軌上的電阻而產(chǎn)生損耗（I2R），進(jìn)而導(dǎo)致散熱問題。這些損耗也包括電感和電容造成的影響。因此，供電設(shè)計(jì)中最重要的因素之一是穩(wěn)壓器在PCB上的位置，這直接影響到饋入處理器引腳的電源軌上的電阻大小。

為了盡可能靠近負(fù)載點(diǎn)（POL）來減少電阻，垂直整合的電壓調(diào)節(jié)模組（VRM）成為了當(dāng)前熱門的解決方案。這種模組將負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換的功率級(jí)、管理模組中電流和熱量的磁性元件，以及在電源進(jìn)入處理器前調(diào)節(jié)電源的電容器整合在同一個(gè)模組中。這意味著VRM可以放置在物理上更靠近POL的位置，從而有效地減少電流損失和功率損耗。

電壓調(diào)節(jié)模組 (VRM) & 垂直電源傳輸 (VPD)

穩(wěn)壓器模組（VRM）主要由三個(gè)部分組成：電容器、電感器和功率級(jí)。例如，雙相功率模組，則是將多相降壓穩(wěn)壓器的兩個(gè)相位的元件整合到一個(gè)基板上，形成一個(gè)單一裝置，并以陣列方式部署，構(gòu)成一個(gè)多相系統(tǒng)。隨著AI加速器在效能和功率需求上不斷提升，功率級(jí)的數(shù)量可能會(huì)進(jìn)一步增加。

除了元件整合和效能提升，為AI加速器供電的新趨勢(shì)是垂直供電，也稱為背面供電。垂直電源傳輸（VPD）技術(shù)將電源穩(wěn)壓器直接移到PCB背面處理器的下方。透過較短的垂直路徑傳輸電源，VPD可以大幅降低PDN（電源傳輸網(wǎng)路）的電阻并減少損耗，從而在較高電流和較低處理器核心電壓下達(dá)到更高的電源效率。此外，由于VPD消除了PCB上的空間占用，AI處理器設(shè)計(jì)人員可以增加記憶體和I/O線路，從而進(jìn)一步提升處理效能。

承上兩大解決方案，各有優(yōu)劣之處，因此，運(yùn)用最適合客戶需求的解決方案才是優(yōu)先考量。如何設(shè)計(jì)和部署高效能運(yùn)算系統(tǒng)，以及如何有效地管理和優(yōu)化功耗、散熱和資源，是成就高效算力系統(tǒng)的必經(jīng)之路。