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48V系統收碩果,Vicor引領數據中心供電新趨勢

2021-07-30 來源:EEWORLD

“如今電力需求和基礎設施之間產生了一些錯位。數據中心、電動汽車等算力在過去幾年有了顯著成長,隨之帶來的是對電力消耗的極大需求,但電力傳輸總線還都停留在過去數年所創建的12V標準上,向48V系統升級將成為解決終端需求的重要解決方案。”日前,Vicor市場經理孟令沖日前在參加OCP大會時對媒體表示,此次OCP大會上,Vicor作為唯一的一家板級電源模塊/芯片供應商,探討了數據中心48V直流供電系統。


電源密度和效率還會持續增長嗎?


隨著MOSFET技術的出現和發展,電源轉換效率在過去三十年中得到了極大提高。80PLUS的標準自2007年生效之時,從黃金升級到鉑金以及如今的鈦金,最高的半載效率要求已經達到了96%。


電源的效率和密度是嚴格正相關的,效率越高,散熱就越少,因此可以實現更小的體積,更小的電源損耗以及更便宜簡單的散熱系統,推動綠色節能的信息產業發展。


根據Vicor給出的產品路線圖,2012年-2019年間,功率密度從0.8千瓦/立方英寸提高到10千瓦/立方英寸,負載點電流密度從0.8A增長到2A。而如果從更長遠的時間點來看,1984年至2021年間,電源密度提升則高達500倍之多。


但是,由于MOSFET的性能已接近極限,為了滿足功率、效率和密度持續增長的需求,電源廠商開始嘗試各種各樣的創新。包括采用GaN、SiC等寬禁帶器件,更新的拓撲結等等,但Vicor迄今為止始終堅持傳統的硅,公司銷售和市場副總裁Phil Davies曾經在接受采訪時表示:“我經常被問到公司何時會采用GaN技術,但我們并不需要他們。因為低壓MOSFET成本更低,品質因數更高,并且我們已經利用獨有的拓撲結構實現了800V輸入。因此我們迄今為止并不需要使用昂貴的,未經廣泛驗證的GaN。”


Vicor一方面在不斷繼續精益求精進行產品升級,另外則是圍繞48V系統提供系統級創新,從而更全面地滿足如今高級系統的升級。


無論如何,正如摩爾定律盡管困難,但依然穩步前行一樣,電源技術依然在不斷利用著各種方法進步,從而滿足摩爾定律的發展。


針對大數據中心,Vicor的48V解決方案


大數據中心所消耗的電力幾乎都是由交流電轉換而來。數據中心一般都有著一整套復雜的電流傳輸路徑,從交流到直流,然后再進一步進行轉換,給存儲器、外設、處理器等部件供電。


隨著視頻、圖片等數據量的激增,目前數據中心已不能單純依托單純的CPU,而是演變成包括GPU、FPGA、AI處理器等異構處理。與此同時,采用先進制程的處理器功耗越來越高,核心電壓越來越低,電流越來越高,根據P=I2R的公式,電源總線上的損耗會越來越大。這也是包括OCP成員Google、Facebook等公司在內的企業,都將內部電源總線升級為48V的重要原因。


Vicor給出的計算結果顯示,如果整個系統轉換到48V,效率將會提高30%。


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未來處理器核心電壓將不斷降低,電流則會迅速提升


Vicor針對目前市場的特點,推出了包括AC/DC、12V/48V橋接以及負載點三大部分的解決方案,公司工程師楊周分別給予了具體解讀。


解決最后一英寸的供電


首先針對負載點,Vicor提供了多種應對方案,包括分比式電源架構、合封電源橫向供電 (LPD)以及合封電源垂直供電 (VPD)等技術。


分比式電源架構將電源分解為專門的穩壓及變壓功能。這兩個功能可以單獨優化、部署,提供一個高密度、高效率的解決方案。該解決方案不同于傳統 12V 多相位方案,主要依靠開關穩壓器和電感器的并聯陣列,這種傳統方案針對大功率應用,并聯的穩壓器越多,整體尺寸越大,而且處理器大電流傳輸的距離也就越遠。所有這些都會使系統出現更多的損耗。


“將兩部分分開之后,第二級不需要設計復雜的穩壓功能,就可以實現更小更薄的固定比例轉換器,更適合CPU周圍緊湊的空間要求。”楊周說道。


合封電源橫向供電則是指分比式的第二級電源模塊,可以直接布置在貼近處理器的位置甚至直接布置在處理器基板上,不僅可以最大限度降低線束損耗,同時還可以減少電源所需的處理器基板BGA引腳。楊周表示:“傳統上轉換器供電需要電感,而電感由于電磁干擾問題,不能距離CPU太近,這就使得最后一英寸依然有較大損耗,尤其是未來電流超過1000A的時候。LPD方案則可以解決最后一英寸的供電問題。”目前LPD 已廣泛應用在包括 OCP 加速器模塊 (OAM) 卡及定制 AI 加速器卡中,根據Davies提供的數據,“目前在48V AI系統應用中,Vicor占據了85%的市場份額。”


根據公開資料顯示,包括NVIDIA、英特爾、寒武紀、天數智芯、谷歌等國內外公司均采用了Vicor的方案。(下圖中黃色長條產品為Vicor的電源模塊)


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天數智芯的PCIe加速卡


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寒武紀OAM加速卡


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NVIDIA加速卡方案,其中包括CPU核心供電模塊、HBM供電模塊以及周邊供電模塊


VPD方案則是更貼近CPU的供電方案。比如Cerebras公司,該公司采用晶圓級引擎 (WSE),將84 個處理單元組成一整顆處理器,可顯著降低與傳統插槽式單信號芯片架構相關的傳輸延時。但一來WSE的功率高達15kW,二來該芯片面積太大,傳統的供電方案無法針對每個單元同時供電。因此,Cerebras與Vicor合作實施了VPD方案,將電源轉換器放置在基板下方,正對處理器電源IO的位置,實現了最高密度的電源系統。


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LPD與VPD的示意圖


楊周特別強調,Vicor提供了諸多產品組合,包括集成一二級的分比式電源模塊,以及分立式方案,并且實現了二級模塊的Pin 2 Pin兼容,可方便客戶根據處理器的實際耗電隨時調整模塊。


解決12V至48V的雙向橋接


48V具有多種優勢,但目前傳統數據中心架構90%以上仍然以12V供電為主,但包括加速卡、 OCP 加速器模塊、AI服務器、等已經升級到48V系統。


為了實現12V與48V的混合方案,Vicor推出了12V至48V雙向轉換方案。該方案可自動實現12V至48V的雙向轉換,無需對外圍進行任何修改,并實現了98%以上的轉換效率。不僅所需的外部組件最少,而且還可輕松并聯,獲得更高的功率級。Vicor的橋接方案為客戶帶來更大的靈活性,在他們應對過渡到 48V 配電時,可充分發揮新一代 AI 卡的優勢。最近出現的雙向 48V/12V 轉換器為云數據中心提供商增加了額外一層靈活性:隨著基礎架構的發展,既可支持其中一項標準,也可兩項都支持。


Davis此前在電話會議時表示:“Intel 和AMD正在將其推出的CPU用于48V數據中心中,在這其中橋接芯片將有著巨大需求,五年后市場總容量將達5億美元,但相比Intel和AMD在超大規模數據中心應用來說,目前人工智能對于橋接芯片的需求依然占據主導地位。”


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12V至 48V雙向轉換器可廣泛應用在包括SXM、OAM以及HGX2等模組中


解決高壓DC/DC及AC/DC的轉換


機架式服務器的電源市場同樣正遇到功率密度激增的挑戰。“2015年以前,機架式服務器功率增長并不顯著,但之后隨著功率的激增,對于機架電源密度有了爆發式增長。2020年,一個機架的功率就可能達到200kW以上,按照以前的功率密度計算,可能需要數十倍的空間,這給供電系統帶來了巨大挑戰。”


“傳統基于銀盒(Silver Box)的電源密度提升速度太慢了,Vicor要打破這個傳統。”楊周說道。Vicor針對一級供電提供了兩種方案,一種是高壓直流電源模塊,支持400V/800V轉至48V。另外一種則是交流轉直流模塊,該模塊僅為iPad大小(92毫米×80毫米×7.5毫米),但可實現5kW功率輸出,并支持并聯。由于其尺寸較小,因此可以靈活布局,包括機架側面、背面甚至液冷電源盒中。此外,楊周也表示,目前數據中心依然在采用傳統220V供電,但為了實現更高電源密度,應該轉向三相380V供電系統。


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AC/DC轉換器,可靈活布置于各類場景中


Vicor的堅持


十幾年前,Vicor就開始圍繞48V系統進行研發和推廣工作,并累計投入數億美元。如今,已取得了顯著成績。“在48V的發展過程中,除了明確的數據中心之外,我們看到了包括汽車、工業、機器人、無人機、軌道交通、ATE設備以及LED等都開始涉足48V應用。”孟令沖說道。


根據Vicor最近的2021年2季度財報顯示,主要包括48V在內的Advanced Products產品線營收已經占據了公司業務總營收的43%,該業務營收環比增長20%,也正因此Vicor 2季度總體營收實現了環比7.4%的增長,至9540萬美元。


而Vicor的長期目標則是Advanced Products產品營收占比達80%,傳統磚塊電源業務占比將萎縮至20%。“2026年,Advanced Products目標市場容量將達到200億美元級別。”Davis在財報會議中說道。


也正是因此,Vicor正在擴建一個新的工廠,增加8500平方英尺的面積,預計可滿足7.5億美元年產值產能。此外,Vicor也正在尋找新設工廠的機會,最終實現15億美元的年產值。


Vicor中國銷售總監、數據中心及超級計算負責人陳新軍表示:“Vicor是一家追求極致的公司,為了實現產品的小而美,我們不斷改進封裝、材料、控制技術,從而實現更高的效率與功率密度。同時,我們也在將電源應用簡單化、標準化,使得AI公司可以更關注于芯片本身的性能。”


“世界正在發生著快速變化,當我們開始從軍事、航空航天與國防等利基型傳統市場轉向汽車和數據中心等快速發展的新興市場中,我們的競爭對手也在發生著變化,對手已經從傳統的電源供應商變成了更多的半導體公司。”Davis說道。“我們也必須做出一些改變。”


在2021年股東大會上,Vicor提出了新的五層化增長策略,包括既有客戶、新客戶、高增長市場、創新產品與技術以及更明晰的品牌信息,而這一切中的絕大部分,都將圍繞著48V架構所進行。

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