人工智能處理器需要大量電力，而較低的能源效率對應(yīng)于整個配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 中損耗的增加。如何解決保持效率和實現(xiàn)高質(zhì)量算法執(zhí)行的挑戰(zhàn)？Vicor 的 PE 公司副總裁 Robert Gendron 在接受 EEWeb 采訪時指出，由于增加了 AI、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，在數(shù)據(jù)中心，機(jī)架功率躍升了 200% 以上，達(dá)到 20 kW 范圍. 這導(dǎo)致 Vicor 重新評估其使用 48V 解決方案的 PDN，雖然重新設(shè)計解決了大電流 PDN 問題，但也給電源轉(zhuǎn)換帶來了新挑戰(zhàn)。

圖 1：CPU/FPGA 峰值電流要求的進(jìn)展（來源：Vicor）

對 PDN 的需求飆升

功率傳輸和功率效率已成為大規(guī)模計算系統(tǒng)中最大的關(guān)注點（圖 1）。隨著處理復(fù)雜 AI 功能的 ASIC 和 GPU 的出現(xiàn)，該行業(yè)見證了處理器消耗的功率急劇增加。機(jī)架功率需求也與大規(guī)模學(xué)習(xí)和推理應(yīng)用程序部署中使用的 AI 能力成正比。在大多數(shù)情況下，供電現(xiàn)在是計算性能的限制因素，因為新 CPU 需要消耗不斷增加的電流。最佳電力輸送不僅需要功率分配，還需要效率、尺寸、成本和熱性能。

為了支持大量的數(shù)據(jù)計算，傳統(tǒng)的 PDN 需要承受巨大的功率需求，從而影響熱管理。通過加長 PDN 系統(tǒng)的電纜來降低電阻或增加工作電壓以降低電流是正在采用的兩種選擇。為了滿足功率的增加，現(xiàn)代設(shè)計正在采用第二種選擇，以更有效地滿足數(shù)據(jù)中心的嚴(yán)格要求。

“目前，電力需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的電力輸送網(wǎng)絡(luò)，”Gendron 說。“切換到 48V 架構(gòu)并采用更具創(chuàng)新性的供電方法是提供高性能電源以滿足驚人的 AI/HPC 需求的唯一途徑。”

當(dāng) 2015 年處理器能力開始急劇增加時，擁有最多云、服務(wù)器和 CPU 公司成員的開放計算項目 (OCP) 聯(lián)盟繼續(xù)發(fā)展其 12-V 機(jī)架設(shè)計。響應(yīng)是從電纜切換到母線，并在機(jī)架內(nèi)部署更多的 12V 單相交流轉(zhuǎn)換器，以最大限度地減少 PDN 距離和對服務(wù)器刀片的阻力。主要變化在于，由于功率增加，單相交流電源自機(jī)架的三相電源的各個相位。隨后，在具有 500-A 到 1,000-A 處理器的數(shù)據(jù)中心中引入 AI，導(dǎo)致一些公司轉(zhuǎn)向 48-V 配電。這將 12 kW 機(jī)架的大電流 PDN 問題降低到 250 A，但給整個系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換帶來了新的挑戰(zhàn)。由于為刀片供電的 PDN 切換到 48 V，因此刀片上需要更改電源轉(zhuǎn)換。在任何情況下，從 12V 配電切換到 48V 都會將輸入電流要求降低 4 倍，并將損耗降低 16 倍。

48V 架構(gòu)采用

48 V 用于可充電備用電池系統(tǒng)，為電信設(shè)備供電。傳統(tǒng)上在這些系統(tǒng)中使用的通用架構(gòu)稱為中間總線架構(gòu)，它由一個隔離的非穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器組成，用于將 48 V 轉(zhuǎn)換為 12 V，然后將其饋送到一組多相降壓穩(wěn)壓器以處理轉(zhuǎn)換為 12 V 和調(diào)節(jié)對于負(fù)載點 (PoL)。隨著 AI 處理器和 CPU 電流的增加，由于穩(wěn)壓器和 PoL 之間的 PDN 電阻，向 PoL 供電解決方案的密度成為 AI 應(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。PDN 損耗是計算 DC/DC 穩(wěn)壓器設(shè)計效率和性能的主要因素。

為了減少損耗，Vicor 建議使用 48V 預(yù)調(diào)節(jié)模塊 (PRM)，然后使用固定比率（1/K 因子）電壓轉(zhuǎn)換級 (VTM)。這種專有架構(gòu)允許優(yōu)化每個階段的性能。

PRM 使用零電壓開關(guān)拓?fù)洌?VTM 使用專有的高頻正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 拓?fù)洹TM 可以看作是一個 DC/DC 變壓器，電壓比為 1/K，電流比為 K。VTM 提供高功率密度，可以放置在非常靠近處理器的位置。

VTM 采用 SAC 拓?fù)洌虼伺c多相開關(guān)及其相關(guān)電感器相比，它的輻射低且窄帶。它還提供比多相設(shè)計更高的功率密度，單個 VTM 取代了六個多相開關(guān)級。VTM 占用空間小，完全符合支持四通道內(nèi)存的高級處理器的布局限制，而不會占用內(nèi)存子系統(tǒng)的布局區(qū)域。

圖 2：橫向供電（來源：Vicor）

大電流通過模塊化電流倍增器 (MCM) 模塊提供，這些模塊位于主板或處理器基板上的處理器附近。在基板上放置 MCM 可最大限度地減少 PDN 損耗并減少電源所需的處理器基板 BGA 引腳的數(shù)量。LPD 旨在支持 OCP 加速器模塊卡和定制 AI 加速器卡的供電需求和獨特的外形尺寸。

圖 3：垂直供電（來源：Vicor）

垂直供電 (VPD) 進(jìn)一步消除了配電損耗和 VR PCB 板面積消耗。VPD 在設(shè)計上與 Vicor LPD 解決方案相似，增加了將旁路電容集成到電流倍增器或齒輪電流倍增器 (GCM) 模塊中。

根據(jù)處理器電流，工程師可以在橫向功率傳輸 (LPD) 或 VPD 之間進(jìn)行選擇。在前一種情況下，電流倍增器位于 AI 處理器旁邊，或者在同一基板上，或者直接在主板上幾毫米的范圍內(nèi)，使 PDN 減小到約 50 μΩ。為了獲得更高的性能，VPD 將電流倍增器直接移動到處理器下方，同時還集成了高頻接地電容器。這種電流倍增器稱為齒輪電流倍增器。VPD 將 PDN 電阻降低到 5–7 μΩ，讓 AI 處理器可以自由利用全功率。

圖 4：該 AI 解決方案突出了 Vicor 48-V 直接負(fù)載 VR 解決方案，支持高達(dá) 650-A 的連續(xù)電流和超過 1,000-A 的峰值電流傳輸。（來源：維克）

最大化 AI 處理器性能

高級 AI 處理器加速模塊的典型 Vicor VR 解決方案如圖 4 所示。Vicor VR 由三個動力總成模塊、一個模塊化電流驅(qū)動器 (MCD) 和兩個 MCM 組成，提供 48V IN至 0.8V OUT VR 具有高達(dá) 650A 的連續(xù)電流和超過 1,000A 的峰值電流傳輸能力。就像飛機(jī)的噴氣燃料一樣，這種電力輸送水平可確保 AI 處理器能夠以最佳時鐘速率運行并最大限度地提高性能。

“如果我們的技術(shù)沒有用于這些先進(jìn)的 AI 應(yīng)用程序，多相 VR 設(shè)備的數(shù)量將超過電路板尺寸，并且不會保持相同的外形尺寸，”Gendron 說。“此外，噪聲貢獻(xiàn)很可能太高而無法維持信號完整性。”

通過使用Vicor NBM2317，可保持與傳統(tǒng) 12V 服務(wù)器機(jī)架配電的兼容性，并為 Vicor VR 提供 48V 電壓。該 12V 至 48V 轉(zhuǎn)換器還可以在“相反”方向運行，從而實現(xiàn) 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的電源架構(gòu)跟不上當(dāng)今耗電量大的 AI 處理器及其在云計算中的采用。Vicor 電源方法支持 48V 配電和支持高級 AI 處理需求的 VR。與 CPU 使用的傳統(tǒng)多相設(shè)計不同，Vicor 解決方案專為解決在云服務(wù)器中快速遷移的新型處理器而開發(fā)。

需要一種為 AI/HPC 提供動力的新方法。隨著領(lǐng)先公司在電力方面的挑戰(zhàn)，從云服務(wù)器機(jī)架分配 12 V 電壓不再可行。為當(dāng)今的 ASIC 和 GPU 供電需要的不僅僅是通過更換零件來增加功率。最有效的解決方案從高壓電源開始，采用創(chuàng)新的架構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并使用高效的高密度電源模塊。

　　審核編輯：湯梓紅