48V 电源架构支持下一代 AI 处理器

为 AI 处理器提供动力的挑战在于保持效率和实现最高质量的算法执行。AI处理器需要大量的电力，能效的降低对应整个配电网络（PDN）的损耗增加。在接受电力电子新闻采访时，Vicor PE 公司副总裁 Robert Gendron 强调，在数据中心，人工智能、机器学习和深度学习的加入如何使机架功率跃升 200% 以上，达到 20- kW 范围，导致使用新的 48-V 解决方案重新评估公司的 PDN。Vicor 重新设计其 48V 机架和数据中心解决方案的能力解决了高电流 PDN 问题，但也给电源转换带来了新的挑战。

图 1：CPU/FPGA 峰值电流要求的进展（来源：Vicor）

对 PDN 的需求飙升

供电和电源效率已成为大规模计算系统中最大的问题（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功耗的急剧增加。机架电源需求也与在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 希望消耗不断增加的电流。最佳电力传输不仅需要电力分配，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。通过延长 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来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) 联盟继续改进其 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 12V 单相交流转换器，以最大限度地减少 PDN 距离和服务器刀片的阻力。主要的变化是，由于功率增加，单相交流电是从三相电源的各个相位派生到机架的。随后，在具有 500-A 至 1,000-A 处理器的数据中心中引入 AI，促使一些公司转向 48-V 配电。这将 12 kW 机架的大电流 PDN 问题减少到 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 正在切换到 48 V，因此需要对刀片进行电源转换更改。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。

采用 48V 架构

48 V 用于可充电备用电池系统，为电信设备供电。这些系统中传统上使用的通用架构称为中间总线架构，它由一个隔离的未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到 12 V 的转换和调节负载点 (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，PoL 的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）变压级 (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，可以非常靠近处理器放置。

VTM 采用 SAC 拓扑，因此与多相开关及其相关电感器相比，其辐射低且窄带。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，而不会侵占内存子系统的布局区域。

图 2：横向供电（来源：Vicor）

大电流传输是通过模块化电流倍增器 (MCM) 模块提供的，这些模块靠近处理器放置在主板上或处理器基板上。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。

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，只是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，工程师可以在横向供电 (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，位于同一基板上或直接位于主板上几毫米之内，使 PDN 降低到约 50 µΩ。为了获得更高的性能，VPD 将电流倍增器直接移到处理器下方，同时还集成了高频接地电容器。这种类型的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，使 AI 处理器可以自由地利用全部功率。

图 4：该 AI 解决方案重点介绍了 Vicor 48V 直接负载 VR 解决方案，支持高达 650A 的连续电流和超过 1,000A 的峰值电流传输。（来源：Vicor）

最大化 AI 处理器性能

图 4 显示了高级 AI 处理器加速模块的典型 Vicor VR 解决方案。 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 48-V输入至 0.8-V输出VR 具有高达 650 A 的连续电流和超过 1,000 A 的峰值电流传输能力。就像飞机的喷气燃料一样，这种供电水平可确保 AI 处理器能够以最佳时钟频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保持信号完整性。”

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

传统的电源架构跟不上当今耗电的 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。随着领先公司在电源方面不断推陈出新，从云服务器机架分配 12 V 电源已不再可行。为当今的 ASIC 和 GPU 供电需要的不仅仅是通过更换部件来增加功率。最有效的解决方案从高压电源开始，结合创新的架构和拓扑，并使用高效的高密度电源模块。

审核编辑 黄昊宇