追回供電網絡中的損耗

摘要

最新的處理器，特別是AI應用中的GPU，可以消耗超過1000 A的峰值電流。為了將它們的電壓軌維持在可接受的精度內，負載點（PoL）穩壓器必須盡可能安裝在能靠近芯片的位置。本篇博文中,我們將討論“垂直供電”這一方案，因為它是接近解決此問題的最優解。

博文

在賭場上，最糟糕的想法就是試圖追回輸掉的損失，直至愈陷愈深傾家蕩產。但是在供電網絡的設計中，如果你不想追回“損失”，那么你就是在拿自己的工作冒險。非必要消耗的每瓦功率都是金錢和環境成本，并與隨之而來增加的散熱成本一同遞增。

電流因電阻而產生散耗，所以，與市電AC供電一樣，高電壓/低電流式的配電是最好選擇。例如，最近的趨勢是將刀片服務器中的總線電壓從12 V增加到48 V，由于“平方律”，電流將減少1/4，并將線路電阻中的功率損耗減少了16倍，但這僅限于電路板（PCB）設計人員沒用更薄的走線線徑盜取您的增益的情況。

在AI應用中GPU電流消耗峰值可超過1000 A

然而，終端負載處的高電流不可避免，最新的GPU、FPGA和CPU在某些情況下可消耗超過1000A電流，而電壓僅為幾分之一伏。因此，盡管我們在此功率級別下可以以48 V電壓和15 A額定電流來走線，我們仍然需要PoL轉換器來生成低電壓。

此方式歷來有一大難點，對于非隔離式DC/DC轉換器，例如具有高輸入/輸出電壓比的PoL，轉換效率往往更低，如下圖所示。這就導致可能會在5 V或12 V電壓下使用第二條中間總線，但屆時就會用到更多轉換器，并可能會產生更多損耗。然而，對DC/DC轉換效率曲線進行檢查后，我們發現可能存在一個“最佳點”，在該處時，擁有較低轉換比的多級式可以和單級式一樣高效。更多轉換器意味著更高的成本，但如果整體效率更高，就能通過散熱系統的節省來抵消成本。

DC/DC轉換器的效率會隨電壓轉換比的變化而大幅變化

不過，我們不應太關注效率百分比，耗散的功率才是關鍵指標。例如，雖然上圖中的效率變化很大，但這些數字是針對提供40 A電流、或是0.6 V下提供24 W以及3.3 V下提供132 W的轉換器。各個情況下的實際損耗基本相同，在4.5到5.5 W之間。

毫歐連接電阻值超出承受

在負載和IC中會產生嚴重功耗，相鄰的PoL也會產生較小程度的功耗。在峰值超過1000 A的電流之下，連接電阻必須非常低，以避免無法接受的電壓降和顯著的額外功耗。如果PoL安裝在靠近負載的PCB上，那么連接電阻很容易接近1毫歐總值，即使使用較厚的走線也會如此，而且這樣還會阻塞數據線。在消耗峰值電流高達1000 A的情況下，這將在連接中產生完全無法正常運行的1 V電壓降和1 kW峰值散耗。

另一個問題是連接電感。AI機器學習等最新的服務器應用通常有較高的峰值負載需求，其中GPU的電流消耗可能會快速陡升或陡降。例如，如果在1 ms內發生100 A階躍，那么只需大約100 nH就能引起10 mV電壓階躍。這一電感值僅僅是幾厘米之內的總追蹤量，包含往返。

獲得最佳性能的目標是讓最終的PoL轉換器盡可能靠近負載，而這一目標的最佳實現方式是Flex Power Modules所支持的“垂直供電（VPD）”法。該方案中，定制的PoL安裝在PCB底部，位于負載IC的正下方，PoL的引腳輸出與目標IC焊球排布匹配，以實現最短的連接。這樣，連接電阻約為10 μΩ，電感約為幾nH，產生可接受的電壓變化與耗散。

應對0%效率

PoL設計人員努力將轉換效率推至接近100%。但通過VPD，DC/DC轉換器現在緊靠負載，其（電氣方面的）效率為0%，因為所有輸入功率（可能是0.5 kW）都被轉化為芯片中的熱量。因此，散熱是一項主要的考量，DC/DC必須與IC散熱系統集成，通常是以帶有液體冷卻劑的冷板熱交換器構成直達芯片（D2C）的方式實現。

逆轉勝負

您不必再在高性能計算領域的供電系統設計中一賭運氣。DC/DC轉換架構的新思路，例如垂直供電，可讓您在Flex Power Modules的密切技術支持和指導下擁有更優化的解決方案。

審核編輯：彭菁