芯片功率超1000W，村田创新电容产品如何解决AI新挑战？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）近年AI大模型的出现，引爆了AI算力需求，市场对相关算力硬件，包括服务器、交换机、AI加速卡、存储、液冷等需求高涨。根据MIC及Trendforce测算，2023年全球AI服务器出货量逾125万台，同比增长超过47%。
 
其中AI加速卡作为算力的核心来源，需求量暴增，今年以来我们经常可以看到各家科技公司抢购英伟达GPU的消息，这也是推动英伟达在短时间内市值飙升至全球前三的重要原因。

不过随着GPU等AI芯片的功耗越来越高，AI加速卡、服务器也在面临很多挑战。在2024慕尼黑上海电子展上，村田分享了目前AI领域对于被动元件的一些新的市场需求，以及他们在AI领域的创新产品以及解决方案。
 
AI加速卡功耗暴增，芯片、主板面临新挑战
 
在AI计算领域，由于并行计算的需求庞大，因此传统的CPU并不适合用于进行AI加速，而GPU等AI芯片中集成的核心数量通常多达数千个，因此可以进行大规模的并行计算，从而快速对海量数据进行处理，适合在AI领域应用。
 
但如今大模型等AI应用对算力的需求，推动了AI芯片算力不断提高，与此同时带来的是越来越高的功耗。据村田市场及业务发展统括部战略营销营业部高级经理卢国荣介绍，目前单AI芯片功率在300W左右，最新的设计已经超过1000W，大功率的AI芯片对于电路设计带来新的挑战，比如能源损耗、信号完整性、电源稳定性、外围器件的可靠性等。
 
除此之外，在AI应用的需求下，AI芯片异构封装集成的技术也成为了一个趋势。那么这种趋势，也给基板、MLCC电容等产品带来技术升级需求，比如超薄型、耐高温、可靠性高的产品等。
 
村田电子贸易（上海）有限公司 电容器产品技术科MLCC高级工程师高艾琳表示，目前芯片发展呈现制程越来越小的趋势，芯片的核心电压也越来越小，比如十多年前的芯片核心电压在3.3V左右，但如今先进芯片的核心电压都在1V或1V以下。核心电压下降对于芯片的供电电源稳定性要求会变高，以往电源波动能够接受10%以内的范围，但如今只能接受5%甚至更小的波动，于是对于芯片外围的电容总容量要求就提高了。
 
对于AI加速卡来说，由于功耗越来越高，加速卡的PCB板上有更高容量的电容。在尺寸受到限制的加速卡PCB板上，就意味着需要提高单颗电容的容量密度，以及提供更小型化大容量的电容产品。
 
村田面向AI加速卡和AI服务器的电容产品
 
在AI加速卡中，村田能够提供的产品非常丰富，除了电容之外，还有存储、时钟元件、温度监测传感器、晶振、热敏电阻、DC-DC等器件。

电容产品方面，村田在加速卡主板上，提供小尺寸大容量的陶瓷电容方案和聚合物铝电容方案。据介绍，目前已经量产的MLCC产品最大可以达到330μF容量。
 
针对OAM模组，村田也推出了100V的电容，并将1210尺寸做到10μF的容量，0603可以达到1μF，0805也能够达到2.2μF，相比20年前有了巨大的提升。另外，服务器主板上的小尺寸大容量电容也是村田的强项，包括0201尺寸最大可以做到10μF容量，另外主流的产品包括0402 22μF、0805 100μF等都是服务器上常用的产品规格。
 
在芯片封装中也需要用到MLCC，我们平时常见的CPU上，比如AMD和英特尔的CPU底部我们都能看到一些非常小尺寸的MLCC。

在芯片封装中集成更多电容，可以实现阻抗最优设计，同时减少板级损耗，因此电容的小型化和大容量在芯片封装中十分重要。村田在DSC表贴电容和LSC背贴电容上都能提供不同规格的产品，其中表贴电容方面，村田注重小型化和大容量，以及大容量和低ESL两种产品。面向大容量和低ESL的需求，村田推出了三端子电容，三端子电容是所有陶瓷电容中单体ESL最低的电容，可以在05035尺寸实现22μF的大容量。
 
在背贴电容方面，村田提供低厚度+低ESL的产品，包括三端子电容和长宽倒置电容都能满足需求。长宽倒置电容高度控制在220微米，相比普通电容高度薄了一半以上，村田可以在这个厚度实现2.2uF的高容量。三端子电容方面，为了应对背贴需求，村田也开发了220微米高度的0402尺寸1uF电容。
 
总而言之，村田在AI服务器上，包括服务器主板、AI加速卡主板、AI芯片封装上，都能提供完整的MLCC产品。另外村田还提供主流的聚合物铝电容，并往低厚度、低ESR的方向开发，目前已经做到4.5mΩ 470μF。
 
创新“埋容”方案
 
以往的电容都需要贴片到主板或者芯片基板上，而村田推出了一种创新方案，将电容集成到PCB内部，村田称之为Integrated Package Solution（内置埋容解决方案）。目前村田内置埋容方案提供三种规格。
 
据介绍，这种埋容方案采用了叠层工艺，内置埋容实际上也是与贴片电容一样是不同层和不同材料组合的产品。而其中一个特点是通孔，可以直接连接埋容的顶部和底部电极，埋容电容内部有许多通孔结构，这样的结构可以实现垂直供电，缩短封装内供电距离，从而降低损耗。这在AI服务器主板、AI加速卡等领域都会有很大的应用空间。
 
内置埋容的另一个特点是有很高的容值密度，因为特殊的内置方式，厚度可以相对较大在300~500微米，所以从面积计算电容密度的话，内置埋容的容值密度是2.3~3.0μF，相比MLCC更高。当然从体积角度来计算，MLCC仍是容值密度最高的。
 
另外，内置埋容在DC Bisa以及温度特性上具备优势。从数据中可以看到，通常在电压升高的情况下，目前市场上的常规电容会有容值下降的趋势，而村田埋容的三种不同的尺寸容值电压压降的情况下是非常平稳的。
 
同时由于是聚合物电容，所以在高温情况下埋容产品相比MLCC更加稳定，在高温情况下容值能够保持一定水平。
 
最后，据村田先端产品推广科资深产品工程师王璐透露，这款产品预计在2025年下半年量产并上市。
 
小结：
 
在2024慕尼黑上海电子展上，村田还展出了通信计算、移动出行、环境+工业和健康等四大领域的产品，包括适用于光模块应用的硅电容、DCDC＆ACDC模块电源解决方案、惯性/超声波传感器、车载毫米波雷达模组、UWB模组、车载电容、锂离子电池等多款产品。可以看到村田在目前的市场发展潮流中，通过自身技术以及可靠的制造实力，正在将优势拓展到更多比如AI、汽车等热门领域，期待未来能够看到村田带来更多创新产品。