追回供電網(wǎng)絡(luò)中的損耗

摘要

最新的處理器，特別是AI應(yīng)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(nèi)，負(fù)載點(diǎn)（PoL）穩(wěn)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?yàn)樗墙咏鉀Q此問題的最優(yōu)解。

博文

在賭場上，最糟糕的想法就是試圖追回輸?shù)舻膿p失，直至愈陷愈深傾家蕩產(chǎn)。但是在供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(huán)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(chǎn)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(wù)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(shè)計人員沒用更薄的走線線徑盜取您的增益的情況。

在AI應(yīng)用中GPU電流消耗峰值可超過1000 A

然而，終端負(fù)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?nèi)匀恍枰狿oL轉(zhuǎn)換器來生成低電壓。

此方式歷來有一大難點(diǎn)，對于非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，例如具有高輸入/輸出電壓比的PoL，轉(zhuǎn)換效率往往更低，如下圖所示。這就導(dǎo)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(zhuǎn)換器，并可能會產(chǎn)生更多損耗。然而，對DC/DC轉(zhuǎn)換效率曲線進(jìn)行檢查后，我們發(fā)現(xiàn)可能存在一個“最佳點(diǎn)”，在該處時，擁有較低轉(zhuǎn)換比的多級式可以和單級式一樣高效。更多轉(zhuǎn)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(tǒng)的節(jié)省來抵消成本。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率會隨電壓轉(zhuǎn)換比的變化而大幅變化

不過，我們不應(yīng)太關(guān)注效率百分比，耗散的功率才是關(guān)鍵指標(biāo)。例如，雖然上圖中的效率變化很大，但這些數(shù)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(zhuǎn)換器。各個情況下的實(shí)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(fù)載和IC中會產(chǎn)生嚴(yán)重功耗，相鄰的PoL也會產(chǎn)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(fù)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(shù)據(jù)線。在消耗峰值電流高達(dá)1000 A的情況下，這將在連接中產(chǎn)生完全無法正常運(yùn)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(jī)器學(xué)習(xí)等最新的服務(wù)器應(yīng)用通常有較高的峰值負(fù)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(nèi)發(fā)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(nèi)的總追蹤量，包含往返。

獲得最佳性能的目標(biāo)是讓最終的PoL轉(zhuǎn)換器盡可能靠近負(fù)載，而這一目標(biāo)的最佳實(shí)現(xiàn)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(fù)載IC的正下方，PoL的引腳輸出與目標(biāo)IC焊球排布匹配，以實(shí)現(xiàn)最短的連接。這樣，連接電阻約為10 μΩ，電感約為幾nH，產(chǎn)生可接受的電壓變化與耗散。

應(yīng)對0%效率

PoL設(shè)計人員努力將轉(zhuǎn)換效率推至接近100%。但通過VPD，DC/DC轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在緊靠負(fù)載，其（電氣方面的）效率為0%，因?yàn)樗休斎牍β剩赡苁?.5 kW）都被轉(zhuǎn)化為芯片中的熱量。因此，散熱是一項(xiàng)主要的考量，DC/DC必須與IC散熱系統(tǒng)集成，通常是以帶有液體冷卻劑的冷板熱交換器構(gòu)成直達(dá)芯片（D2C）的方式實(shí)現(xiàn)。

逆轉(zhuǎn)勝負(fù)

您不必再在高性能計算領(lǐng)域的供電系統(tǒng)設(shè)計中一賭運(yùn)氣。DC/DC轉(zhuǎn)換架構(gòu)的新思路，例如垂直供電，可讓您在Flex Power Modules的密切技術(shù)支持和指導(dǎo)下?lián)碛懈鼉?yōu)化的解決方案。

審核編輯：彭菁