【導讀】圖形處理單元(GPU)、張量處理單元(TPU)和其他類型的專用集成電路(ASIC)通過提供并行處理能力來實現(xiàn)高性能計算，以滿足加速人工智能(AI)訓練和推理工作負載的需求。
AI需要大量的算力，尤其是在學習和推理時。這種需求不斷地將供電網(wǎng)絡(luò)的邊界推向前所未有的新水平。這些高密度工作負載變得愈加復雜，更高的瞬態(tài)需求推動配電網(wǎng)絡(luò)的每個部分都必須高效運行。AI加速卡嚴格的功耗要求對系統(tǒng)性能也有影響。本文將討論AI加速卡的配電網(wǎng)絡(luò)要求，剖析瞬變的影響，并介紹ADI公司針對這些需求提出的多相供電解決方案。
簡介
AI技術(shù)完全改變了計算架構(gòu)，以復現(xiàn)模仿人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。AI看似已廣泛存在，但實際上，驅(qū)動AI的技術(shù)仍在發(fā)展。專門用于AI計算的處理器加速器IC包括GPU、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、TPU和其他類型的ASIC。本文將它們統(tǒng)稱為xPU。
隨著AI技術(shù)部署快速推進，數(shù)據(jù)中心將繼續(xù)批量購買AI加速卡。根據(jù)Gartner的報告，2021年AI芯片收入總計超過340億美元，預計到2026年將增長至860億美元。1xPU采用大規(guī)模并行計算方案，與普通CPU相比，在AI性能方面實現(xiàn)了巨大飛躍。xPU擁有大量小內(nèi)核，因此非常適合AI工作負載，有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練和AI推理。然而，xPU進行AI計算和移動數(shù)據(jù)通常會產(chǎn)生相對較大的功耗。簡而言之，xPU是非常耗電的IC。其嚴格的功耗要求對AI加速卡提出了新的挑戰(zhàn)，這也會影響系統(tǒng)性能。本文將分析AI加速卡的供電網(wǎng)絡(luò)要求，并介紹ADI公司針對這些嚴格要求提出的多相供電解決方案。
AI帶來的供電挑戰(zhàn)
AI涉及許多方面，但能效不在其中。AI工作時，尤其是處理深度學習和推理等AI工作負載時，需要極高的計算功率。在系統(tǒng)層面，AI加速器對于提供近乎即時的結(jié)果（正是這些結(jié)果使其有價值）發(fā)揮著關(guān)鍵作用。所有xPU都有多個高端內(nèi)核，這些內(nèi)核由數(shù)十億個晶體管構(gòu)成，消耗數(shù)百安培電流。這些xPU的內(nèi)核電壓(VCORE)已降至低于1.0 V的水平。圖1顯示了AI加速卡的通用框圖。本文將重點介紹為此類系統(tǒng)提出的多相控制器和相應(yīng)的功率級IC。
圖1.通用AI加速卡框圖
AI加速卡所需的峰值電流密度對于任何主板來說都是非常沉重的負擔，難以處理。工作負載的高度動態(tài)特性和極高的電流瞬變會導致非常高的di/dt和持續(xù)數(shù)微秒的尖峰電壓瞬變，這些瞬變非常具有破壞性，可能對xPU造成損害。AI的平均工作負載會持續(xù)很長時間，解耦電容將無法始終提供滿足即時需求的能量。本文的下一部分將介紹ADI公司提出的多相負載點(PoL)解決方案，它會消除典型AI加速器的瞬變，避免給整個配電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生壓力。但首先，我們來討論AI帶來的電源設(shè)計挑戰(zhàn)。
AI帶來新的電源設(shè)計挑戰(zhàn)
目前，AI功率需求遠遠超過傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的能力。xPU穩(wěn)壓器(VR)的要求與標準PoL穩(wěn)壓器有很大不同。業(yè)界發(fā)現(xiàn)，某些應(yīng)用要求在小于1 V的電壓下為xPU提供超過1000 A的電流。重要的是，電源必須非常穩(wěn)定，產(chǎn)生的噪聲非常小，同時消除所有電壓瞬變可能性，以免導致xPU內(nèi)部誤觸發(fā)。為了應(yīng)對驚人的電流需求，高性能AI加速器VR PoL的設(shè)計必須滿足某些關(guān)鍵要求。
電壓尖峰和瞬變管理
AI加速卡的關(guān)鍵要求之一是VR的架構(gòu)應(yīng)能提供出色的瞬變電壓管理。向任何系統(tǒng)提供千瓦級功率始終是首要挑戰(zhàn)。輸出電壓（包括容差、紋波以及負載瞬態(tài)驟降和峰值）必須始終高于xPU最小電壓以避免系統(tǒng)掛起，并且還必須始終低于xPU最大電壓以免損壞xPU。加速卡的瞬態(tài)功率尖峰可能要求達到最大熱功率目標的2倍甚至更高。
這里重要的是，PoL環(huán)路帶寬須足夠靈活，以處理所遇到的各類更快速瞬變。帶寬越高，環(huán)路響應(yīng)越快，電壓偏差越小。實現(xiàn)快速瞬態(tài)電源軌較直接的一種方法是選擇具有快速瞬態(tài)性能的穩(wěn)壓器。ADI AI VCORE系列IC具有非常低的頻率輸出噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率等特性。除此之外，ADI AI電源芯片組還支持負載線路，有助于電源設(shè)計人員有效管理AI工作負載引起的瞬變和尖峰。
長電源路徑走線中的I2R損耗和熱管理
隨著AI xPU處理器電流不斷提高，PoL供電解決方案的密度已成為關(guān)鍵要素。既要可靠地向xPU的每個部分供電，同時不用擔心散發(fā)的熱量會影響芯片的可靠性并導致熱失控，現(xiàn)在變得極其困難。換言之，熱管理是設(shè)計這種高功率電源所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的供電方法是將穩(wěn)壓器放置在xPU的一側(cè)，以便將電力橫向傳輸?shù)教幚砥?。這些走線的電阻哪怕再小，也可能引起不可接受的電壓(I2R)下降。PCB電源層電阻上的壓降會隨著xPU電流提高而成比例地增加。這意味著VR和BGA引腳之間幾厘米的PCB電源走線會產(chǎn)生大量的損耗。PCB銅電源層中的此類損耗已成為計算穩(wěn)壓器設(shè)計效率和性能的主導因素。傳統(tǒng)3芯片（分立式）供電解決方案需要大量高電流走線，與之相比，使用集成了電流和溫度電路模塊的單芯片功率級IC，可以大大減少PCB上的走線數(shù)量。
ADI價值主張：MAX16602 + MAX20790 + 耦合電感
AI穩(wěn)壓器的精度變得更加嚴格。效率和尺寸是重中之重。性能和功耗也受到嚴格審查。正如上一節(jié)所述，解決AI加速卡VR設(shè)計問題已成為一項艱巨的任務(wù)。設(shè)計人員非常清楚，若不能有效處理不必要的瞬態(tài)效應(yīng)，就無法在所需電流中產(chǎn)生大的階躍。解決這些瞬態(tài)效應(yīng)還需要某種類型的高精度動態(tài)電壓定位或負載線路方案。ADI公司大力投資AI市場，為48 V和12 V系統(tǒng)提供全套解決方案。本節(jié)介紹ADI AI多相電源芯片組，即MAX16602多相控制器和MAX20790功率級，以及我們獲得專利的耦合電感(CL)技術(shù)，以幫助解決這些AI PoL設(shè)計挑戰(zhàn)。圖2顯示了8相MAX16602CL8_EV設(shè)計的MAX16602、MAX20790和CL簡化框圖連接。這種相對簡潔的設(shè)計實現(xiàn)了每相約88 APK的高電流傳輸能力。內(nèi)部補償和先進的控制算法，加上功率級中集成的電流檢測電路以及耦合電感，使其成為擁有出色效率的小尺寸解決方案。
圖2.采用ADI高集成度電源芯片組的8相VR設(shè)計有助于實現(xiàn)高密度設(shè)計，同時減少外部連接
更高集成度的單芯片智能功率級IC
MAX20790是一款功能豐富的智能功率級IC，旨在與MAX16602（以及該產(chǎn)品系列中的其他幾款ADI控制器）配合使用，以實現(xiàn)高密度多相穩(wěn)壓器。這是一種單芯片集成，幾乎消除了分立式設(shè)計中常見的FET和驅(qū)動器之間的寄生電阻和電感，從而實現(xiàn)高開關(guān)速度，而且功率損耗明顯低于傳統(tǒng)方案。如果檢測到開關(guān)節(jié)點(VX)故障，功率級會立即關(guān)閉，并將故障ID傳送給控制器。該智能功率級IC還有一個片內(nèi)電流傳感器。此電流檢測電路模塊顯然優(yōu)于使用電感直流電阻的方法。眾所周知，DCR檢測不準確，需要溫度補償才能使電流測量結(jié)果可信。
控制器IC
MAX16602是一款用于xPU VCORE VR的多相控制器。該IC提供高密度、靈活且可擴展的解決方案，可為AI xPU供電。該器件支持脈沖寬度調(diào)制(PWM)并聯(lián)，可控制多達16個相位。該IC的架構(gòu)簡化了設(shè)計，減少了組件數(shù)量，支持高級電源管理和遙測功能，并在整個負載范圍內(nèi)提高了節(jié)能效果。它實現(xiàn)了自主切相，在整個負載范圍內(nèi)保持高效率。完整芯片組是一個高效率多相降壓轉(zhuǎn)換器，具有廣泛的狀態(tài)和參數(shù)測量特性。保護和關(guān)斷參數(shù)通過串行PMBus?接口進行設(shè)置和監(jiān)測，甚至包括功率級IC中收集的故障。
以下是該ADI控制器支持的其他幾個關(guān)鍵特性，這些特性對于任何AI供電方案都很重要。
高級調(diào)制方案
MAX16602利用高級調(diào)制方案(AMS)來提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。該調(diào)制方案支持以極短的延遲開啟和關(guān)閉相位。根據(jù)負載需求，當負載增加時，可以同時開啟多個相位；當負載釋放時，可以立即關(guān)閉多個相位。啟用AMS后，系統(tǒng)閉環(huán)帶寬可以擴展，而不會造成相位裕量損失。因此，PoL能夠更好地響應(yīng)AI VR的即時和動態(tài)電流需求。
負載線路控制
負載線路允許VCORE根據(jù)輸出電流在最小值和最大值之間變換。它實質(zhì)上是為輕負載設(shè)置高VCORE值，為重負載設(shè)置低值。主要是為了讓控制環(huán)路可以處理更高的負載電流（這是讓計算順利進行所必需的）。ADI控制器在整個輸出電流范圍內(nèi)提供準確的輸出負載線路控制。輸出電壓定位利用來自功率級IC的無損電流檢測信號進行，這些信號會反饋到控制器。負載線路是在控制器中通過對電壓控制環(huán)路誤差放大器的直流增益進行數(shù)字編程來設(shè)置?？刂破鞯腅C表和數(shù)據(jù)手冊的表6中提供了各種直流負載線路特性，從0.105 mΩ到0.979 mΩ。圖3顯示了16相PoL設(shè)計在40 A至360 A負載階躍和800 A/μs擺率下的瞬態(tài)曲線。結(jié)果表明過沖極小。
總而言之，ADI的多相功率轉(zhuǎn)換和PoL產(chǎn)品提供高效率和高功率密度。圖5顯示了我們的16相MAX16602 + MAX20790 + CLH1110-4評估板的效率曲線以及偏置和電感損耗。ADI公司為各種AI加速器應(yīng)用提供穩(wěn)壓器和其他電源轉(zhuǎn)換解決方案。采用我們的多相控制器和集成功率級解決方案，有助于ADI客戶滿足嚴苛的動態(tài)xPU電源要求，應(yīng)對當今AI應(yīng)用帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)。
圖3.16相VR在40 A至360 A階躍負載和800 A/μs擺率下的瞬態(tài)曲線
設(shè)計中添加有源電壓定位可以降低對負載瞬態(tài)響應(yīng)的要求，并更好地利用xPU總?cè)莶畲翱凇Ｘ撦d線路控制有助于降低給定階躍負載的峰峰值輸出電壓偏差，同時可以減少輸出軌上的bulk電容量。總電壓波動將會減小，從而降低xPU崩潰或損壞的風險。請注意，MAX16602中的負載線路電路模塊可以禁用。
耦合電感(CL)的優(yōu)勢
十多年來，ADI公司一直投資開發(fā)其專利CL技術(shù)。這項技術(shù)支持實現(xiàn)更高的密度、更大的帶寬、更快的瞬變解決方案，與分立式實現(xiàn)方案相比，效率提高50%，磁性元件尺寸縮小1.82倍。CL能夠有效地在穩(wěn)態(tài)中用作大電感，在瞬態(tài)中用作小電感，除了減小電感尺寸外，還能節(jié)省COUT。2圖4顯示了ADI多相VR設(shè)計中常用的耦合電感系列。
圖4.ADI多相VR設(shè)計常用的耦合電感系列
根據(jù)設(shè)計規(guī)格和優(yōu)先級，耦合電感消除電流紋波的優(yōu)勢可用來換取更小的尺寸或更高的效率。1較大的系統(tǒng)優(yōu)勢以及ADI產(chǎn)品的與眾不同之處在于，AI PoL設(shè)計人員可以使用CL相對輕松地實現(xiàn)VR總尺寸較小的解決方案。幾家知名磁性器件供應(yīng)商擁有ADI的免費CL許可，可以為我們提供所需的元件。
頂部散熱封裝
頂部散熱為表面貼裝封裝提供了另一種散熱途徑。MAX16602和MAX20790都是倒裝芯片四方扁平無引線(FCQFN)封裝，帶裸露的頂部散熱焊盤。FCQFN是一種先進的封裝，可提供設(shè)計人員青睞的出色熱性能。這種無引線封裝不僅可以減少寄生電感，還能從器件的結(jié)直接向周圍環(huán)境散熱。MAX20790的結(jié)殼頂部(θJC-TOP)熱阻為0.25°C/W。AI電源設(shè)計利用頂端散熱配置，可以提高系統(tǒng)的熱性能和設(shè)計靈活性。
圖5.16相AI VR評估板設(shè)計的效率曲線
垂直供電
隨著處理復雜AI功能的xPU問世，功耗隨之急劇增加。具有高達650 A連續(xù)電流和超過1000 A峰值電流傳輸能力的VR開始普及。為AI處理器供電的挑戰(zhàn)在于保持高效率。常規(guī)電源架構(gòu)無法跟上這些非常耗電的AI xPU的步伐。VR芯片制造商和架構(gòu)師正在從根本上研究不同的供電方法。業(yè)界正在討論一種為AI xPU供電的新趨勢，稱為垂直供電，也稱為背面供電。
VR必須盡可能靠近負載輸入xPU電源引腳，以實現(xiàn)高電流輸送。我們無法通過傳統(tǒng)的橫向供電方法實現(xiàn)這一目標。垂直供電將電源調(diào)節(jié)器移到處理器正下方，從而消除了PCB上可能產(chǎn)生的所有損耗。該結(jié)構(gòu)將電源轉(zhuǎn)換器、功率級、電容和磁性元件放置在PCB的背面，并通過過孔垂直地向xPU供電。換言之，電流傳輸是從xPU BGA陣列下方垂直進行。這是一條長度縮短的垂直路徑，可顯著降低阻抗并消除損耗。圖6顯示了安裝在PCB另一側(cè)、xPU下方的垂直供電模塊架構(gòu)。此示意圖僅用于說明。ADI公司擁有廣泛的AI xPU VCORE解決方案系列，用于解決當今的這些問題。我們的電源解決方案能夠以非常小的外形尺寸實現(xiàn)出色的效率。本文介紹的解決方案將多相控制器MAX16602和智能單芯片功率級MAX20790相結(jié)合，可提供非常高的電源轉(zhuǎn)換效率、非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)和非常準確的遙測報告。如需了解這些電源芯片組的更多信息或購買MAX16602CL8評估套件，請單擊此處。
參考文獻
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1“預測：2021-2027全球AI半導體。”Gartner，2023年4月。
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圖6.垂直供電模塊架構(gòu)（僅用于說明目的）
構(gòu)建垂直供電解決方案的難點包括解決模塊的重量和安裝問題。PCB另一側(cè)的xPU下方比較適合放置高頻解耦電容，用于儲存能量以滿足瞬時能量需求。垂直供電與ADI的CL技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)更高的電流密度、功率密度和更快的瞬態(tài)性能。垂直供電為ADI等PoL制造商提供了新的創(chuàng)新機會，并以自己的方式繼續(xù)支持摩爾定律的發(fā)展。
結(jié)語
支持機器學習和深度學習的加速卡通過提供加速訓練和推理工作負載所需的并行處理能力，將AI從理論變?yōu)楝F(xiàn)實。為高性能AI加速卡設(shè)計VR PoL是一項復雜的任務(wù)，尤其是在當前先進xPU的電源要求（表現(xiàn)在電流水平和電壓精度方面）不斷提高的情況下。
本文表明，xPU VR的要求與標準PoL調(diào)節(jié)器有很大不同。xPU供電軌具有極快的負載變化，需要動態(tài)電壓定位或負載線路，并且必須很小。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Hamed M. Sanogo是ADI公司全球應(yīng)用部門的云和通信終端市場專家。Hamed擁有密歇根大學迪爾本分校的電子工程碩士學位，之后還獲得了達拉斯大學的工商管理碩士學位。在加入ADI公司之前，畢業(yè)后的Hamed曾在通用汽車擔任高級設(shè)計工程師，并在摩托羅拉系統(tǒng)擔任過高級電氣工程師以及Node B和RRH基帶卡設(shè)計師。在過去的17年里，Hamed擔任過不同的職務(wù)，包括FAE/FAE經(jīng)理、產(chǎn)品線經(jīng)理，目前是通信和云終端市場專家。
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