Vicor推出垂直供电设计 克服AI芯片大电流困境

Vicor应用工程师杨有承。

AI在各类型产业的应用渐深渐广，随着智能化功能的强化，AI芯片所需的电源功耗也同步提升，不过电源大厂Vicor应用工程师杨有承指出，过去业界常用的电源技术，已难因应先进AI芯片庞大的电源需求，因此他在「Power Behind AI」演讲中，就介绍了AI芯片新时代电源设计与其优势。

杨有承表示，近几年AI功能不断提升，数据中心的电源使用量也越来越高，在环境保护与企业节能两大动力下，机房节能成为必要作为。根据Google的报告，过去该公司在全球机房的PUE(电力使用效率)为1.3，意即机房中的非IT电力耗损高达30%，之后该公司积极优化，2020年的PUE已降到1.1，成效相当明显。

从Google案例可以看出，数据中心市场对AI芯片电力的庞大需求。而Vicor内部的研究数据也指出，2015年AI芯片的TDC(热设计电流)仍仅约450A，峰值电流为500A；到了2021年，TDC已达1,000A，峰值电流更直达2,000A；随着AI芯片效能的高速成长，这两个数值的电流在2024年，有可能分别超过1,500A与3,000A。

除了AI芯片外，系统其他地方的电力损耗也是目前亟需解决的问题。现在机房内的网通切换器电流也高达1,000A，这部分产生的损耗也相当惊人，因此杨有承指出，现在业者要面对的是AI芯片与主机板两者加起来的电量耗损，另外还要加上高电量带来的散热问题。

杨有承进一步表示，以现有的AI芯片与主机板的结构方式运作，功率损耗高达50%，到了未来的1,000A需求时，会产生500W的损耗。对此问题，目前主流作法是增加铜箔layers，但此方式有其极限，小电流仍可接受，大电流则无法满足市场需求。为此Vicor也提出各种解决方式，像是将电源模块设计在主机板上或处理器封装的两侧，这种方式虽然可以大幅降低PDN(电源分布网络)的损耗、强化板端效率，满足现有市场上的电源需求，但仍有其先天限制，最大电流数仅能有650A，无法达到1,000A。

为了解决电源损耗问题，Vicor研发出新作法，将电源模块设计在处理器下方，这种直接供电的方式，解决了PDN损耗问题，经过Vicos的层层测试，TDC可达1,000A，且损耗仅有10W，与过去动辄数百瓦相比，成效相当明显。

除了提升效率、降低损耗之外，此作法的另一好处是释出处理器两端的空间，让设计者有更多弹性。杨有承指出，在高端Switching为了达到光与ASIC芯片达到最高性能，业者开始将光纤模块(OM)设置于处理器四周(Co-Packaged Optics；CPO)，在此趋势下，如果仍采过去将电源模块置于主机板上方的方式，电源模块离处理器的距离将更远，PDN损耗也会更高。

除了透过垂直供电设计，提供AI芯片足量电流外，Vicor也提出先进散热设计。现在处理器的散热多为气冷，Vicor则与3M合作，推出浸泡式液体冷却方案，可有效降低AI芯片的散热问题。杨有承表示，未来Vicor将持续提出更多先进电源解决方案，协助客户顺利打造高效能AI芯片。