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以新思维迎接新商机 Vicor深入剖析智能化电源技术

  • 李佳玲

Vicor于日前举办了「Vicor电源技术研讨会」,现场座无虚席,吸引近300位产业先进共襄盛举。

智能化成为近年来IT产业最重要的趋势,因应此趋势,企业服务器、工厂设备、车用系统…等多种类型IT架构都面临的全新变革,传统工业系统的12V电源供应设计正逐渐升级至24V、48V,乃至于380V的高功率密度,为了协助工程师解决新世代的电源设计难题,深耕高功率、高密度电源领域的Vicor于日前举办了「Vicor电源技术研讨会」,从嵌入式高功率AC-DC设计考量、全方位DC-DC系统设计探讨、最新一代AI/服务器应用的PCB布局和散热设计、EMI概念与疑难排除技巧等面向,深入剖析智能时代的电源设计趋势,除了这4大主题外,研讨会也邀请了日月光副总经理张欣晴,发表精采演说。

智能浪潮冲击电源产业

Vicor台湾区总经理 翁鸿裕

日月光(ASE)副总经理 张欣晴

Vicor应用工程师 张仁程

Vicor应用工程师 杨有承

Vicor台湾区总经理翁鸿裕在致词时指出,相较于IC摩尔定律每18个月所容纳的晶体管数量就会翻倍的速度,电源元件的发展速度虽然缓慢,不过其脚步仍持续且坚定的往前走,此现象主因在于电源技术的难度相当高,所有的突破都需要经过多年研发,这些长时间所累积的研发能量,形成了此一产业的高门槛,而这也是电源领域中,几乎没有新进厂商的原因。

不过一步一脚印的电源技术,在智能化趋势下近年来出现了重大变革,其中台湾产业所受到的冲击更大,因此无论是电源厂商或设备业者,都必须积极面对,方能在挑战中找到新商机。

翁鸿裕表示,电源需求的变革出现在多个领域,其中又以资料中心、车用电子与照明系统等3大场域尤为明显。在资料中心,近年来因AI概念兴起,各种运算架构纷纷出笼,车用电子则是因应电动车所衍生出的高电源密度需求,至于照明市场则是由于固态照明渐成主流,在路灯、霓虹灯等户外照明系统,小体积、高稳定成为重要电源的设计需求。

上述领域中对电源产生进一步需求,包括电磁元件走向扁平化、更高效能MOSFET与新材料GaN的出现、控制技术由类比走向数码、半导体元件的高集成与高效能趋势,而从目前市场状况来看,目前的技术难以因应这些趋势,因此如何弭平需求与技术之间的差距,尤其是近期蔚为市场重要趋势的48V,就成为现在各厂商必须严正面对的课题。

翁鸿裕以服务器为例指出,过去传统服务器主要电源架构为12V,不过由于近期崛起的AI,大幅要求服务器的运算能力,高算力需要高耗能,因此大型GPU厂商已推出了多款48V GPU卡,现在系统厂商必须解决12V服务器与48V GPU的串接问题。为此Vicor推出了NBM 2317与DCM 3717,这两款电源产品都可将12V架构顺利桥接至48V,将大电流供应模块部署于极度靠近处理器的负载点,在不影响处力器效能原则下,大幅减少主板的配电传输损耗,解决资料中心系统中,主板与处理器的「Last Inch」问题。

无论是12V或48V,翁鸿裕指出,对设备与系统厂商而言,电源产品的采购始终聚焦效能、体积与成本等3大面向,最好的电源产品,其效能必须最大化、体积与成本则必须最小化,而在这3大面向中,成本又是厂商向来第一考量,效能居次,最后才是体积,不过此一优先顺序排列是否仍适合现在趋势?事实上从近年来市场的变化来看,厂商必须要提供更高差异化、高附加价值产品,才能掌握商机。

再由此回来看电源产品,Vicor认为厂商过去优先顺序必须重新排列,尤其现在各类型设备与系统的集成度越来越高,其电源成本不能只关注单一元件,而必须从整体系统的管理与建置成本着眼。在未来的电源产品中,产品将透过高集成产生差异化,而小体积的电源元件将是产品集成的必要设计,因此体积将会是首要考量,其次则是效能,具备这两者要件后,系统成本就可进一步优化,这也是Vicor缩小产品体积、强化效能的原因,相较于市面上同类型电源产品的效能多要求在92%,Vicor旗下产品则都在98%以上,小体积加上高效能,就可让使用者的产品具备差异化优势。

翁鸿裕以Vicor最近推出的DCM3717产品为例,此款产品除了具备小体积与高效能特色外,在扩充性与拓朴结构方面也有所强化。Vicor DCM3717的拓朴结构突破了过去切换频率和效能方面必须有所权衡的做法,透过其零电压与零电流设计,即便切换频率增加,元件效能仍能维持一贯高效率特质。此外Vicor DCM3717 也大幅集成电路,并以3D设计方式将之建置于元件封装内,并以Vicor专利封装技术建构电路和结构,藉此同步提升电源元件的小体积与高功率,让采用Vicor产品的设备与系统整设计商,拥有更强的竞争力。

除了因应市场需求,持续推出新产品外,Vicor也积极携手各类型伙伴,藉此提供市场更高效能与集成度的产品,近期与全球封装大厂日月光的合作就是最佳指标。翁鸿裕指出,日月光的封装技术在半导体产业蔚居领先地位,此一预期合作方案将强化双方在CPU与GPU等处理器的电源IC封装领先全球业界的垂直能量传输技术集成。

封装技术与时俱进

对此日月光副总经理张欣晴也指出,这次合作将大幅提升双方在技术与产品两端的综效,在这次研讨会中,他也以「因应电源功率需求不断提升的人工智能处理器」为题,发表精采演说。张欣晴指出,在智能化浪潮下,各产业开始强化IT建置,现在多数企业都会建立自己的资料中心,以因应伴随智能化而来的云端与边缘运算要求,而资料中心的用电向来庞大,根据美国能源部调查,资料中心用电比例占全球发电量5%,用电量将近3千亿瓦,其中电源管理的影响极大,若未妥善管理,其用电量将激增至8千亿瓦,而若积极改善,则可降至1千亿瓦左右,也因此,电源管理已然成为资料中心建置的重要设计。

无论是CPU或GPU,近年来的算力都大幅提升,高算力产生高耗能,高耗能又产生高热,在此同时,资料中心架构走向模块化,模块化需要高集成元件,为了兼顾效能与稳定,IC封装时不仅所有元件体积都要缩小,散热问题也要考虑进去,而这也成为现在电源与封装业者的挑战。

张欣晴进一步表示,在主板设计中,处理器与电源IC的距离远近对效能的影响极大,两者距离越近,效能就越佳,因此现在的做法开始将将电源IC集成在封装内,也就是Power-on-Package(合封电源技术)。对于Power-on-Package,Vicor已有设计完整的产品,与会的Vicor应用工程师Joseph Aguilar就指出,Vicor正研发电源元件的垂直堆叠技术,此技术不但可透过降压供应更大电流,同时也因电源与处理器距离的拉近,减少电力传输损耗。至于在封装产业,也有各种方式解决功耗与效能的问题,象是2.5D或3D的垂直组态就是常见作法。

整体来说,因应智能化与AI所带来的高运算趋势,Power-on-Package已然成为资料中心电源设计的重要技术,不过要达到效能与供电需求是极大挑战,因此产业链中不同环节的厂商必须交流技术,日月光与Vicor的合作就是最佳案例,张欣晴认为,双方的紧密互动将可大幅提升产品效能与稳定性,提供资料中心业者更完美的电源解决方案。

从实务面解决电源设计困境

除了电源IC趋势与封装技术之外,Vicor的应用工程师张仁程、杨有承也由技术面出发,深入剖析电源系统的设计要点。张仁程在「嵌入式高功率AC-DC设计考量」与「电源工程师必备EMI概念与疑难排除技巧」为题,讲解面对嵌入式的高功率电源需求时,所必须建立的25个流程步骤,并以过去经验所建立的专业知识,为工程师解答EMI疑难。杨有承先在「提升系统效能-全方位DC-DC系统设计探讨」演讲中,解析DC-DC模块、系统集成与支持电路等两个面向的设计重点,另一场「高密度电源系统的PCB布局和散热设计」则最新一代AI/服务器应用为例,讨论如何降低PCB的功率传输阻抗与损耗。

透过趋势与技术发展的精辟解析,这次「Vicor电源技术研讨会」成为台湾产业少见的电源技术盛会,翁鸿裕最后指出,Vicor是目前产业中唯一专注于48V电源技术的公司,在过去38年的研发基础下,其功率模块在效能与密度方面都领先业界,尤其是从前端到负载点的各种模块化产品,更提供了设备与系统业者完整解决方案。近年来Vicor仍持续强化高功率模块的密度、效能与功率输出等技术研发,并将锁定资料中心、汽车、工业、国防与航天等领域,协助客户打造出高竞争力产品。