采用新方法為AI/HPC 供電勢在必行。隨著業界領先的公司在電源方面不斷突破，從云服務器機架分配 12 V電源已不再可行。為當今的ASIC和GPU供電不是通過簡單更換部件增加功率就可以實現的。從高壓電源開始，結合創新的架構與拓撲，并使用高效的高密度電源模塊才是最有效的解決方案
人工智能處理器需要大量電力，但較低的能效將導致整個配電網絡（PDN）的損耗增加。如何在保持效率的同時實現高質量的算法執行？Vicor 公司副總裁Robert Gendron在接受 EEWeb 采訪時指出，由于人工智能、機器學習和深度學習的加入，數據中心的服務器機架功率已躍升了 200% 以上，達到20 kW的水平。這促使 Vicor重新評估其PDN能力，改用48V 解決方案。但盡管重新設計解決了大電流 PDN 問題，卻也給電源轉換帶來了新的挑戰。
圖1: CPU/FPGA 峰值電流的要求在逐步提高（資料來源：Vicor）
PDN需求飆升
供電和電源效率已成為大規模計算系統中最大的問題（如圖1）。隨著處理復雜 AI 功能的 ASIC 和 GPU 的出現，業界已經見證了處理器功耗的急劇攀升。在大規模學習和推理應用部署中，AI能力不斷增長，服務器機架電源需求也成比例地增長。在大多數情況下，由于新型CPU消耗的電流持續增加，供電成了計算性能的限制因素。最佳電力傳輸方案不僅對電力分配有一定要求，還對效率、尺寸、成本和散熱性能有嚴格要求。
為了支持大量數據計算，傳統PDN 需要承擔巨大的功率需求負擔，這對散熱管理也造成壓力。延長PDN系統纜線以降低電阻或提高工作電壓以降低電流是可用的兩種解決方法。為滿足不斷增長的功率需求，現代設計常采用后一種方法來更有效地滿足數據中心的嚴格要求。
“當前的電力需求遠遠超過傳統電力輸送網絡的能力，”Gendron 說。“改用48V架構并采用更創新的供電方法，這是提供高性能電源以滿足驚人AI/HPC需求的唯一途徑。”
2015年，當處理器功耗開始急劇攀升時，主要由云計算、服務器和 CPU 公司成員構成的開放計算項目 (OCP) 聯盟也不斷改進其12V機架設計。具體而言，他們從電纜切換至母線架構，并在機架內部署更多12V單相交流轉換器，以最大限度地縮短PDN與刀片服務器之間的距離并減小電阻。其中最主要的變化是，由于功耗增加，單相交流電從三相電源的各個相位傳送到機架。之后，在500A至1000A處理器的數據中心中引入AI，這一舉措促使一些公司轉用48V配電架構。這將12 kW機架的大電流PDN問題降低到了250 A，但也給整個系統的電源轉換帶來了新的挑戰。由于為刀片服務器供電的PDN轉換到了48 V，因此刀片服務器端也需要進行電源轉換。但無論如何，從12V配電架構切換到48V可將輸入電流要求降低4 倍，將損耗降低16 倍。
48 V架構應用
48 V電源用于可充電備用電池系統，為電信設備供電。傳統上，這些系統使用的通用架構被稱為中間總線架構，它由一個隔離的非穩壓總線轉換器組成，用于將 48 V電壓轉換為 12 V，然后再饋送到一組多相降壓穩壓器，以處理到12 V的轉換以及負載點 (PoL)調整。隨著AI 處理器和 CPU 電流的增加，由于穩壓器和 PoL之間的PDN電阻，PoL供電解決方案的密度成為 AI 應用中最關鍵的元素。PDN損耗是計算 DC/DC 穩壓器設計效率和性能的主要因素。
為了減少損耗，Vicor 建議使用 48V 預穩壓模塊 (PRM)以及固定比率（1/K 因子）的變壓模塊 (VTM)。 這種專有架構可以優化每一級的性能。
PRM采用零電壓開關拓撲，而 VTM 采用專有的高頻正弦振幅轉換器 (SAC) 拓撲。VTM可以看作是一個DC/DC 變壓器，電壓比為1/K，電流比為K。VTM 提供高功率密度，部署位置可以盡可能靠近處理器。
VTM 采用 SAC 拓撲，與多相開關及其相關電感器相比，輻射低且帶寬窄。而且，由于單個VTM 取代了六個多相開關級，它可以提供比多相設計更高的功率密度。VTM占用空間小，完全滿足支持四通道存儲器的高級處理器布局限制，不會占用存儲子系統的布局區域。
圖2: 橫向供電（來源：Vicor）
大電流傳輸通過模塊化電流倍增器 (MCM) 模塊提供，這些模塊可以靠近處理器部署在主板上或處理器基板上。將 MCM 布置在基板上，不僅可最大限度降低PDN 損耗，而且可以減少電源所需的處理器基板 BGA 引腳數量。LPD可以支持OCP加速器模塊卡和定制AI加速器卡的供電需求和獨特尺寸。
圖3: 垂直供電（來源：Vicor）
垂直供電 (VPD) 進一步消除了配電損耗和 VR PCB 板面積消耗。它在設計上與 Vicor LPD 橫向供電方案相似，只是將旁路電容集成到了電流倍增器或變換電流倍增器 (GCM) 模塊中。
根據處理器電流的不同，工程師可以選擇橫向供電 (LPD) 或者垂直供電（VPD）。若采用前者，電流倍增器部署在同一基板的AI 處理器旁邊，或直接部署在幾毫米之內的主板上，這樣可以使PDN 電阻降低到大約50 µΩ。為了獲得更高的性能，VPD則將電流倍增器直接移到處理器下方，同時還集成高頻接地電容器。這種類型的電流倍增器稱為變換電流倍增器（GCM）。VPD可以將 PDN電阻降至 5至7 µΩ，讓AI 處理器充分發揮效能。
圖 4：該AI解決方案重點介紹了 Vicor 48V 直接負載 VR 解決方案，它支持高達 650A 的連續電流和超過 1,000A 的峰值電流傳輸。（來源：Vicor）
最大化AI處理器性能
圖 4顯示了一個典型的Vicor高級AI處理器加速模塊VR 解決方案。Vicor VR 由三個動力模塊組成，包括一個模塊化電流驅動器 (MCD) 和兩個 MCM，可以提供 48 VIN 至 0.8 VOUT VR ，并提供高達 650A 的連續電流和超過 1,000A 的峰值電流。這種供電水平就如同飛機的噴氣燃料，可確保 AI 處理器以最佳的時鐘頻率運行，并最大限度提高性能。
Gendron 說：“如果這些先進的AI 應用沒有采用我們的技術，多相VR器件的數量將超過電路板尺寸，并且無法保持相同的封裝。此外，還可能因為噪聲過高而無法保持信號的完整性。”
采用 Vicor的NBM2317，可兼容傳統的12 V服務器機架配電，同時為Vicor VR提供48 V電壓。該12V 至48V轉換器還可以“反”向運行，實現48V到12V的轉換。
傳統電源架構已無法應對現今高能耗的AI 處理器，也無法將之應用于云計算中。Vicor的電源方案支持 48V 配電，并利用VR來滿足高級AI 處理的需求。與 CPU使用的傳統多相設計不同，Vicor 解決方案專為在云服務器中快速遷移的新型處理器而開發。
采用新方法為AI/HPC 供電勢在必行。隨著業界領先的公司在電源方面不斷突破，從云服務器機架分配 12 V電源已不再可行。為當今的ASIC和GPU供電不是通過簡單更換部件增加功率就可以實現的。從高壓電源開始，結合創新的架構與拓撲，并使用高效的高密度電源模塊，這才是最有效的解決方案。
（參考原文：Next-Gen AI Processors Need 48 V）
責編：Amy Guan
本文為《電子工程專輯》2021年8月刊雜志文 章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜志訂閱
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