下一代AI处理器需要48V

人工智能处理器需要大量电力，而较低的能源效率对应于整个配电网络 (PDN) 中损耗的增加。如何解决保持效率和实现高质量算法执行的挑战？Vicor 的 PE 公司副总裁 Robert Gendron 在接受 EEWeb 采访时指出，由于增加了 AI、机器学习和深度学习，在数据中心，机架功率跃升了 200% 以上，达到 20 kW 范围. 这导致 Vicor 重新评估其使用 48V 解决方案的 PDN，虽然重新设计解决了大电流 PDN 问题，但也给电源转换带来了新挑战。

图 1：CPU/FPGA 峰值电流要求的进展（来源：Vicor）

对 PDN 的需求飙升

功率传输和功率效率已成为大规模计算系统中最大的关注点（图 1）。随着处理复杂 AI 功能的 ASIC 和 GPU 的出现，该行业见证了处理器消耗的功率急剧增加。机架功率需求也与大规模学习和推理应用程序部署中使用的 AI 能力成正比。在大多数情况下，供电现在是计算性能的限制因素，因为新 CPU 需要消耗不断增加的电流。最佳电力输送不仅需要功率分配，还需要效率、尺寸、成本和热性能。

为了支持大量的数据计算，传统的 PDN 需要承受巨大的功率需求，从而影响热管理。通过加长 PDN 系统的电缆来降低电阻或增加工作电压以降低电流是正在采用的两种选择。为了满足功率的增加，现代设计正在采用第二种选择，以更有效地满足数据中心的严格要求。

“目前，电力需求远远超过了传统的电力输送网络，”Gendron 说。“切换到 48V 架构并采用更具创新性的供电方法是提供高性能电源以满足惊人的 AI/HPC 需求的唯一途径。”

当 2015 年处理器能力开始急剧增加时，拥有最多云、服务器和 CPU 公司成员的开放计算项目 (OCP) 联盟继续发展其 12-V 机架设计。响应是从电缆切换到母线，并在机架内部署更多的 12V 单相交流转换器，以最大限度地减少 PDN 距离和对服务器刀片的阻力。主要变化在于，由于功率增加，单相交流电源自机架的三相电源的各个相位。随后，在具有 500-A 到 1,000-A 处理器的数据中心中引入 AI，导致一些公司转向 48-V 配电。这将 12 kW 机架的大电流 PDN 问题降低到 250 A，但给整个系统的电源转换带来了新的挑战。由于为刀片供电的 PDN 切换到 48 V，因此刀片上需要更改电源转换。在任何情况下，从 12V 配电切换到 48V 都会将输入电流要求降低 4 倍，并将损耗降低 16 倍。

48V 架构采用

48 V 用于可充电备用电池系统，为电信设备供电。传统上在这些系统中使用的通用架构称为中间总线架构，它由一个隔离的非稳压总线转换器组成，用于将 48 V 转换为 12 V，然后将其馈送到一组多相降压稳压器以处理转换为 12 V 和调节对于负载点 (PoL)。随着 AI 处理器和 CPU 电流的增加，由于稳压器和 PoL 之间的 PDN 电阻，向 PoL 供电解决方案的密度成为 AI 应用中最关键的元素。PDN 损耗是计算 DC/DC 稳压器设计效率和性能的主要因素。

为了减少损耗，Vicor 建议使用 48V 预调节模块 (PRM)，然后使用固定比率（1/K 因子）电压转换级 (VTM)。这种专有架构允许优化每个阶段的性能。

PRM 使用零电压开关拓扑，而 VTM 使用专有的高频正弦振幅转换器 (SAC) 拓扑。VTM 可以看作是一个 DC/DC 变压器，电压比为 1/K，电流比为 K。VTM 提供高功率密度，可以放置在非常靠近处理器的位置。

VTM 采用 SAC 拓扑，因此与多相开关及其相关电感器相比，它的辐射低且窄带。它还提供比多相设计更高的功率密度，单个 VTM 取代了六个多相开关级。VTM 占用空间小，完全符合支持四通道内存的高级处理器的布局限制，而不会占用内存子系统的布局区域。

图 2：横向供电（来源：Vicor）

大电流通过模块化电流倍增器 (MCM) 模块提供，这些模块位于主板或处理器基板上的处理器附近。在基板上放置 MCM 可最大限度地减少 PDN 损耗并减少电源所需的处理器基板 BGA 引脚的数量。LPD 旨在支持 OCP 加速器模块卡和定制 AI 加速器卡的供电需求和独特的外形尺寸。

图 3：垂直供电（来源：Vicor）

垂直供电 (VPD) 进一步消除了配电损耗和 VR PCB 板面积消耗。VPD 在设计上与 Vicor LPD 解决方案相似，增加了将旁路电容集成到电流倍增器或齿轮电流倍增器 (GCM) 模块中。

根据处理器电流，工程师可以在横向功率传输 (LPD) 或 VPD 之间进行选择。在前一种情况下，电流倍增器位于 AI 处理器旁边，或者在同一基板上，或者直接在主板上几毫米的范围内，使 PDN 减小到约 50 µΩ。为了获得更高的性能，VPD 将电流倍增器直接移动到处理器下方，同时还集成了高频接地电容器。这种电流倍增器称为齿轮电流倍增器。VPD 将 PDN 电阻降低到 5–7 µΩ，让 AI 处理器可以自由利用全功率。

图 4：该 AI 解决方案突出了 Vicor 48-V 直接负载 VR 解决方案，支持高达 650-A 的连续电流和超过 1,000-A 的峰值电流传输。（来源：维克）

最大化 AI 处理器性能

高级 AI 处理器加速模块的典型 Vicor VR 解决方案如图 4 所示。Vicor VR 由三个动力总成模块、一个模块化电流驱动器 (MCD) 和两个 MCM 组成，提供 48V IN至 0.8V OUT VR 具有高达 650A 的连续电流和超过 1,000A 的峰值电流传输能力。就像飞机的喷气燃料一样，这种电力输送水平可确保 AI 处理器能够以最佳时钟速率运行并最大限度地提高性能。

“如果我们的技术没有用于这些先进的 AI 应用程序，多相 VR 设备的数量将超过电路板尺寸，并且不会保持相同的外形尺寸，”Gendron 说。“此外，噪声贡献很可能太高而无法维持信号完整性。”

通过使用Vicor NBM2317，可保持与传统 12V 服务器机架配电的兼容性，并为 Vicor VR 提供 48V 电压。该 12V 至 48V 转换器还可以在“相反”方向运行，从而实现 48V 至 12V 转换。

传统的电源架构跟不上当今耗电量大的 AI 处理器及其在云计算中的采用。Vicor 电源方法支持 48V 配电和支持高级 AI 处理需求的 VR。与 CPU 使用的传统多相设计不同，Vicor 解决方案专为解决在云服务器中快速迁移的新型处理器而开发。

需要一种为 AI/HPC 提供动力的新方法。随着领先公司在电力方面的挑战，从云服务器机架分配 12 V 电压不再可行。为当今的 ASIC 和 GPU 供电需要的不仅仅是通过更换零件来增加功率。最有效的解决方案从高压电源开始，采用创新的架构和拓扑结构，并使用高效的高密度电源模块。

　　审核编辑：汤梓红