Vicor 48V电源设计峰会 揭示最新AI数据中心电源技术
- 李佳玲/整理报导
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在AI人工智能、大数据等应用带动下，新一代AI处理器的功率需求正快速成长，使服务器机架的电源设计面临了新的挑战，并开始朝48V架构移转。Vicor是高功率密度电源解决方案的领导厂商，在日前举行的「48V电源设计峰会」上，介绍了为AI数据中心所建构的完备解决方案。藉由最先进电源技术的引进，将能协助台湾业者快速掌握此新兴商机，缩短产品上市时程，并提升产品的附加价值。
Vicor台湾区总经理翁鸿裕在致词时表示，48V电源架构是新一代数据中心的重要趋势，而且在包括工业、铁路、汽车、ATE(自动化测试设备)等领域也逐渐获得采用。随着电源系统的要求更为严苛，Vicor致力于提供完整的解决方案来简化设计并降低损耗，让积极朝高端产品移转的台湾业者能专注于发挥其系统设计优势，而困难的电源设计问题就交给Vicor来解决！
48V电源应用日益广泛 Vicor建构完整方案
Vicor副总裁Robert Gendron表示，近来在AI应用推动下，包括CPU/GPU/ASIC(XPU)等高效能运算(HPC)处理器要求的峰值电流从2000年的300A持续上升，到2018年已高达1000A。现在客户已无法再以传统方式来满足此新类型XPU对服务器电源效率与散热的设计要求。因此，我们需要重新评估现有的电源架构、电源分布、以及散热方式，才能因应AI处理器与日俱增的功率需求。
为了解决现行12V架构功率损耗与占位面积大等问题，采用更高功率密度的设计是最明显的解决方案。若改采48V架构，电压升高四倍，在相同功率下，意味着电流仅为四分之一，因此功耗可降低16倍。此外，由于电流降低，所需的缆线线径也较小，可以显着降低所需的布线空间。
Vicor是专注于功率密度与效率的电源解决方案供应商，我们的48V产品已获得了Google等领先业者的采用。此外，我们已建立了一个涵盖从三相交流电源转换为48V直流、或是在系统中提供12/48V双向转换，以及把48V直接送到负载点(PoL)的完整方案，适用于直接从48V汇流排为各种负载及辅助电源供电。
除了数据中心，48V的应用正日益广泛，我们在汽车、脚踏车／摩托车、军用、LED照明、电动手工具、工业自动化等领域也都有采用实绩，相信此趋势将逐渐发酵，未来市场会进一步扩展。
高密度、高整合度的三相AC前端解决方案
Vicor产品行销总监Ian Mazsa表示，自2010年起，服务器机架要求的功率逐步攀升，而更高的功率，意味着功耗与热产生量的持续增加。他引述Google数据中心副总裁Joe Kava日前的说法，前两代Google TPU还能利用传统的空气冷却技术来应付，但从第三代TPU起，便已不再足够了。
由此可知，随着数据中心朝高功率设计移转，如何提供更高的电源系统效率和密度，已成为刻不容缓的议题，因为这将能带来诸多的效益，包括更低的损耗、更低的散热需求、更高的空间利用率、以及更高的成本节省等。为了提升电源系统基础架构的密度与效率，并把交流电压转换为直流电压以为电路供电的前端元件也一并考虑在内，Vicor日前推出了最新的10kW PowerTablet AC-DC转换器。
Mazsa指出，高功率供电解决方案必须满足三个要素：第一，需能把三相电路直接接线至机架中，以消除与单相有关的相位和负载平衡问题；第二，支持安全电压(SELV) 48V稳压输出，与12V相比，配电损耗可减少16倍；第三，可提供模块化的电源元件，以Vicor为例，透过搭配其48V PoP解决方案，即可为数据中心建构高密度和高效率的电源架构。
凭藉着Vicor独特的电源与封装技术优势， PowerTablet AC-DC转换器模块的尺寸仅为24cm x 15cm x 1.5cm，大小就如同平板电脑一般，但却可实现所未有的功率密度，是传统三相AC-DC解决方案的4倍。
在实际应用上，并联的四个 PowerTablet可在1U机架空间内提供高达40kW功率，或是能分布在整个机架中，以为机械设计和散热方案提供更高的自由度。此外，传统的AC电源因为表面轮廓不规则，通常只适合风冷系统，且热量分布不均匀，但PowerTablet的薄型设计，可轻松整合在包括液冷和液浸式等先进的散热系统中。
PowerTablet AC-DC转换器还可支持容错阵列功能，模块中有三个3.33kW的单元，每个相位可独立工作，并支持单元之间和阵列之间的压降均衡。透过这些优异的特性，PowerTablet能以Delta或Wye连接方式支持全球各地从200至480V的三相交流基础架构，具备良好的设计灵活度。
PoP合封电源：AI处理器的高效率电源供应
PoP(Power-on-Package)合封电源是近来Vicor为满足高功率AI处理器需求的一大突破。今年NVidia在年度GTC大会上推出的48V Volta 100 GPU便是采用这项技术。
Vicor应用工程师杨有承表示，PoP的概念是，透过把模块化电流倍增器(MCM)放在非常接近XPU的位置，可消除传统12V多相位稳压器方案在「最后一英寸」电流供应路径过长所招致的大量功耗损失及传输带宽的限制，而且能够减少接脚数，简化设计。
此技术是以Vicor既有的Factorized Power Architecture(FPA)为基础，亦即先利用一颗预稳压器模块(PRM)来调节48V输入，再搭配一颗电压转换器模块(VTM)把调节过的48V输入电压转换为处理器所需的1V左右直流电压，以实现从48V转换为1V或以下XPU所需的电压应用。此技术已量产5年多，获得市场的普遍采用。
但是VTM囿于高度限制，无法直接放在XPU旁，因此透过重新调整此一架构，把VTM的前端与PRM整合，形成模块化电流倍增器驱动器(MCD)，而剩下的VTM部分则成为厚度较薄的MCM，便可放在XPU的旁边。此外，MCM还可并联，以支持较高电流的XPU。
由于MCM具备尺寸精巧与低杂讯特性，能够与对杂讯敏感的高效能XPU封装在一起。如此一来，可将来自稳压器的大电流供电从主机板移至XPU旁边，实质上取消了电源配送网络，不仅能免除「最后一寸」的功率损失问题，还有助于简化XPU附近的布局?密度，并减少XPU的大部分电源接脚，让XPU I/O能有更多的灵活性与功能。
在实际应用上，例如ExaScaler/PEZY超级电脑公司的Gyoukou超级电脑，便是将其PEZY CPU与Vicor合封电源MCM封装在一起，可在XPU上实现高效率的48V直接降压到次1V电流倍增。
藉由把既有的PRM+VTM架构更新为MCD+MCM架构，此合封电源方案在降低互连损耗、简化线路设计方面，都展现出显着的优势。目前的PoP方案可在1V或以下电压提供600A的连续电流和高达 1,000A的峰值电流，以协助开发人员克服传统12V系统提高效能的障碍。
在现有的12V架构中为48V GPU供电
另一方面，随着NVidia推出新款48V GPU，对设计人员来说，如何在既有的12V架构中支持这类的先进AI处理也已成为另一个重要课题。
为此，Vicor推出了2317 NBM (非隔离式汇流排转换模块)，其概念是数据中心仍维持既有的12V架构，但人工智能GPU部分，则透过12V转48V升压的方式，另提供一条电源为GPU供电。
杨有承表示，相较于传统利用多颗离散元件，以多相升压方式来实现12V转48V的需求，NBM模块有许多的优势。首先，传统方式不仅需要多颗离散元件，占位面积大，而且效率至多仅93%。若以一张GPU显示卡300W功率，AI应用需要8张显示卡，功率为2.4KW来计算，其损耗会高达约200W。这代表着系统热源上升，必须额外的散热设计，增加成本。而Vicor的NBM效率高达98.1%，损耗仅为传统设计的三分之一，可显着降低电源成本。
2317 NBM采用 23 x 17 x 7 mm表面黏着封装，是一款双向转换器，不管是在输入为 12V，输出为 48V 应用下，还是在输入为 48V 而输出为 12V 应用下，均可稳定提供 750W 的功率，带来超过98% 的峰值效率。
此外，NBM的工作频率为1.7 MHz，远高于一般的200 KHz，仅需6~8颗外部元件即可，而且瞬态响应更快。另一个显着差异是，传统是以PWM方式升压，为硬开关切换，易造成EMI问题，需外加过滤器来解决。而NBM采用SAC(正弦振幅转换)架构，没有EMI杂讯问题，无需担心高速线路的干扰。
数据中心的电源供应挑战
Vicor应用工程师李明德则是针对数据中心机架内的电力传输以及板端电源，介绍目前业者面临的挑战以及Vicor提供的解决方案。
首先，由于可免除多拉一条单相AC电源的负担，直接以三相交流电流为机架供电正日益受到青睐，因为不管在效率、设计简易性、以及营运成本方面都有显着的效益。Vicor新推出的RFM9459可直接把200/240/400/415V的三相电流转换为48V-54V的直流电，且峰值效率达97%。单个RFM可提供高达10kW的功率，亦可并联满足更高的功率需求。
在板端方面，Vicor是48V方案的领导厂商，透过PRM+VTM架构，可直接把48V传送到XPU，与传统12V架构相比，能降低功率耗损，简化线路设计，实现更佳的成本效益。
此外，随着数据中心从12V朝48V移转，在此过程国内统必然有许多两种电压并存的需求。除了之前介绍的NBM模块能在既有12V架构中为48V处理器供电的应用之外，业者也有可能需要在48V架构中，采用降压方案， 以为风扇、硬盘、或CPU等既有的12V子系统供电。
NBM是12/48V双向电压转换器，除了作为升压之用，亦可拿来降压，以因应这类需求。
此外，Vicor还可提供多种PoL降压方案，利用其Cool-Power ZVS降压稳压器，可满足48V降压到12V、5V和3.3V的需求，电流可支持10A~22A。它是以软切换技术为基础，效率可达95%以上，并提供多种封装形式。
以先进技术因应电源架构改变趋势
Vicor应用工程师张仁程介绍说，Vicor是一家已成立超过三十年的公司，但过去专注于军用及高功率应用，对于以消费性市场为主的台湾着墨较少。但近年来，随着台湾产业朝附加价值更高的工业、汽车与高效能运算市场移转，Vicor便积极引进最先进的电源技术，以因应台湾产业的转型需求。
随着电源架构的改变，电源解决方案也须满足宽广的输入范围与高输入电压、高输出功率、高效率、高密度、小尺寸、重量轻、散热少，以及自动量测 (telemetry)等各种需求。也由于系统对电源的要求越来越严苛，电源设计已成为产品具差异化特性的重要一环。
Vicor致力于以高功率密度方案来满足新兴的电源需求。例如，为了满足产品轻薄短小、但又要求高功率的要求，近来「功率重量比」已日趋重要，也是我们持续研发的课题。此外，为了提升嵌入式系统的整合度，电源模块对低杂讯与低EMI要求也更高。而为满足新一代产品的联网需求，未来我们的产品都将提供PMbus界面，以支持数据传输的需求。
另一方面，封装技术也是Vicor产品的重要差异化优势。以其ChiP(Converter housed in Package；转换器级封装)为例，ChiP产品的设计在PCB两面都有功率组件，可减少寄生导致的损耗，因此不仅可对整个封装均匀彻底地散热，而且还可利用顶部与底部表现进行散热。另一款重要的封装技术为VIA(Vicor Integrated Adapter)，其中整合了滤波器，且外形精巧。
最后，为了协助设计人员降低电源系统的设计风险，Vicor还提供了完整的在线设计资源工具(Power System Design Tools)，其中包含电源系统设计工具、模拟、配置工具、以及白皮书、影片资源等丰富内容，可协助设计人员快速查找所需的电源模块，并有效地进行电源系统设计，以期透过采用高效的电源方案，提升产品的差异化优势。(DIGITIMES李佳玲整理报导)
