1967
作者：暢秋
隨著高性能計算（HPC）系統(tǒng)，特別是AI服務(wù)器的市場規(guī)模不斷擴大，其核心處理器，包括CPU、GPU、NPU、ASIC、FPGA等，以及內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)通信等芯片元器件的性能和功耗水平都在提升。隨著性能提升，功率管理水平的提升顯得更加重要，因為HPC系統(tǒng)，特別是AI服務(wù)器的耗電量越來越大，對整個系統(tǒng)，以及主要芯片的功率管理能力提出了更高要求。
在AI服務(wù)器中，CPU需要供電，GPU板卡需要供電，內(nèi)存（DDR4、DDR5、HBM）需要供電，各種接口也需要供電。此時，電源管理系統(tǒng)就顯得非常重要了，除了AC/DC電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器等，電源管理系統(tǒng)當中用到的無源器件（以電感和電容為主）也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，隨著系統(tǒng)性能和功耗的提升，對這些無源器件的性能和數(shù)量提出了更高、更多的要求。
性能優(yōu)異的無源器件可以提供更加穩(wěn)定的電壓和電流，以確保AI服務(wù)器等HPC系統(tǒng)正常運行，保證快速的瞬態(tài)響應(yīng)和較低的紋波。低損耗的無源器件可以提高AI服務(wù)器的能效，提升關(guān)鍵零部件的效率，節(jié)能環(huán)保。要保證AI服務(wù)器的可靠性和穩(wěn)定性，對電感提出了更高的需求。
?01、AI系統(tǒng)的供電挑戰(zhàn)
與普通服務(wù)器相比，AI服務(wù)器所需的配置和耗能更高。由于AI服務(wù)器的功率較普通服務(wù)器高6~8倍，對電源的要求也同步提升，目前，市面上的通用服務(wù)器一般需要2個800W電源，AI服務(wù)器最多需要4個1800W電源。
隨著服務(wù)器性能的提升，配套的電感變壓器數(shù)量必定會隨之增加。以芯片電感為例，有機構(gòu)報告指出，由于GPU數(shù)量的增加，AI服務(wù)器一共需要24~48個電感，以每個1美元計算，與普通服務(wù)器相比，AI服務(wù)器中的芯片電感價值量多出60%-220%。
另外，在AI服務(wù)器中，多相或耦合電感等多合一形式逐步替代單電感應(yīng)用；為了解決散熱、損耗問題，超薄應(yīng)用和電源模塊類供電將更加廣泛。
數(shù)據(jù)中心需要越來越多的AI加速卡，要配置大量處理器（xPU），多采用大規(guī)模并行計算方案，與普通CPU相比，xPU擁有大量小內(nèi)核，有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練和AI推理。然而，xPU進行AI計算、傳輸數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生較大功耗。也就是說，xPU是非常耗電的芯片，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。
AI系統(tǒng)工作時，尤其是處理深度學習和推理等工作負載時，需要極高的計算功率。在系統(tǒng)層面，AI加速器對提供近乎實時的結(jié)果發(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)核電壓已降至1V的水平。
AI加速卡所需的峰值電流密度對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，可能會對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，此時，需要消除AI加速器的瞬變，避免對整個配電網(wǎng)絡(luò)造成損害。
目前，xPU穩(wěn)壓器（VR）的要求與標準PoL穩(wěn)壓器有很大不同。某些應(yīng)用要求在小于1V的電壓下為xPU提供超過1000A的電流。此時，必須控制好功耗，不然，系統(tǒng)很難穩(wěn)定工作。
如何降低AI系統(tǒng)能耗，成為了產(chǎn)業(yè)難題。目前，降低AI系統(tǒng)能耗的思路主要有兩種：一、降低AI系統(tǒng)核心處理器的能耗；二、優(yōu)化電源管理系統(tǒng)，提高AI核心處理器電源管理的效率。然而，隨著AI等新興應(yīng)用的普及，傳統(tǒng)計算系統(tǒng)用到的AC/DC、DC/DC、多相電源控制器和DrMOS功率級組合等方案，效率已經(jīng)達到天花板，需要更先進的電源管理方案。
?02、服務(wù)器電源系統(tǒng)在演進
處理器的微型化導致了電源電壓降低，但消耗的電流不降反升，使得功耗持續(xù)增加。低電壓、大電流的發(fā)展趨勢帶來的問題之一是如何提升對負載波動的快速響應(yīng)能力。
隨著電壓降低，電壓的容許公差變得非常小。比如，為了避免處理器的誤操作，若以±3％的精度提供磁芯電壓，則電壓為1V時的公差必須控制在±30mV。對于服務(wù)器專用電源，即使在超過1000A的大電流負載驟變的驅(qū)動條件下，輸出電壓也必須盡可能保持穩(wěn)定。
在實際應(yīng)用中，低電壓、大電流發(fā)展趨勢一直在持續(xù)，通常采用高頻化和多相位化來應(yīng)對。以更高的頻率進行開關(guān)操作允許采用體積更小的組件（如電容器和電感器）來管理和平滑輸入和輸出電路中的能量流動。對于基于普通硅功率半導體器件的轉(zhuǎn)換器，其典型開關(guān)頻率為30～80kHz，在這樣的頻率下，可以采用被廣泛認可的電容器，具有成本效益。然而，在這個頻率范圍之上，寄生效應(yīng)就會導致過多的電阻損耗和自生熱。
雖然提高頻率對改善負載響應(yīng)有很大作用，但也會極大地增加開關(guān)元件的損耗。此外，通過使用大容量外部電容器，可以在一定程度上抑制大電流應(yīng)用的電壓波動，但這會增加安裝面積和電容器成本。
考慮到上述諸多情況，TLVR(Trans-Inductor Voltage Regulators)是目前應(yīng)對低電壓、大電流應(yīng)用中快速負載波動的主流電路配置方案。該方案是讓每個相位開關(guān)連接到一個帶額外繞組的電感器上，然后將每個相位的繞組和補償電感器串聯(lián)成回路，以便同時為每個相位提供電流。TLVR能使處理器獲得較高的瞬態(tài)響應(yīng)性能，滿足負載要求，而且電源電壓幾乎不會降低，同時降低電源損耗，可保持較小的輸出電容值，從而減少安裝面積和系統(tǒng)成本。
?03、更多電感方案
在高性能計算系統(tǒng)，特別是AI服務(wù)器的電源管理系統(tǒng)中，電感方案越來越多，除了上述的TLVR，還有一體成型電感、芯片電感、超薄一體成型電感等產(chǎn)品。
芯片電感起到為芯片前端供電的作用，主要用于電壓、電流轉(zhuǎn)換，常見于電源管理芯片（PMIC）、FPGA供電電路中。在高性能計算系統(tǒng)中，芯片電感、電容、MOS管與驅(qū)動芯片共同構(gòu)成供電電路，滿足GPU和CPU的供電需求。
目前，主流的芯片電感采用鐵氧體材質(zhì)，但鐵氧體飽和特性較差，隨著電源模塊的小型化和電流的增加，鐵氧體電感體積和飽和特性已經(jīng)難以滿足高性能GPU的要求，近些年，出現(xiàn)了一種金屬軟磁材料電感，它具有更高的效率、更小的體積，能夠更好地響應(yīng)大電流變化。采用金屬軟磁材料的芯片電感，適用開關(guān)頻率可達500kHz~10MHz。
還有一種芯片電感，它基于半導體薄膜工藝，采用光刻加工工藝，不同于傳統(tǒng)的繞線電感和一體成型電感工藝，半導體薄膜工藝的最大特色是可以實現(xiàn)芯片電感產(chǎn)品整版生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電源模塊基于SIP工藝，將芯片與電感合封在一個封裝基座上，將功率電感與封裝基座一體加工，實現(xiàn)功率電感與封裝基座的二合一。相比傳統(tǒng)的SIP需要“芯片+電感+基座”，基于半導體薄膜工藝的方案只需將芯片與集成電感及其它器件合封，即可實現(xiàn)完整的電源模塊和周邊電路功能，進一步減小了電源模塊的體積，同時提升了功率密度，降低了成本。
這種芯片電感采用了新的磁性材料，磁導率和飽和電流都很好，在6MHz頻率下，電感的材料損耗占電感總損耗比例很低。
?04、電容也很重要
在高性能計算的電源管理系統(tǒng)中，除了電感，電容和熱敏電阻的更新?lián)Q代也在進行中。
目前，AI服務(wù)器在整體高性能計算市場的占比仍較低，因此，還沒有市調(diào)機構(gòu)統(tǒng)計AI服務(wù)器對MLCC（片式多層陶瓷電容器）的消耗量，但是，就發(fā)展形勢來看，無源器件分銷商普遍看好電容，特別是MLCC在AI服務(wù)器中的應(yīng)用前景，2024下半年將出現(xiàn)明顯增長態(tài)勢，MLCC規(guī)格、單價都將大幅提升。
在技術(shù)層面，計算系統(tǒng)處理器都需要電容配合工作，傳統(tǒng)上，這些電容都采用鉭或聚合物電容器。以減少對去耦電容的依賴，可以將一小部分II類 MLCC（例如X5R、X6S或X7R器件）直接放置在處理器附近。目前，有些廠商正在努力將鋁聚合物去耦電容器嵌入到封裝內(nèi)的芯片載體中，與片上硅電容器一起工作，這樣可以克服高性能處理器所面臨的去耦挑戰(zhàn)，并支持更高的轉(zhuǎn)換器頻率，未來可能高達10MHz。
?05、無源器件廠商的機遇
前些天，在英偉達舉辦的GTC大會上，服務(wù)器代工大廠臺達電表示，在AI服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，如何在電流快速飆升下，讓電壓保持在GPU工作的0.8V，電感扮演著關(guān)鍵角色，它要能在高電流、低電壓狀態(tài)下保持穩(wěn)定工作才行。
搭載英偉達新款Blackwell架構(gòu)加速芯片的AI服務(wù)器功耗高達1000W~1200W，電感用量較一般服務(wù)器增加2~3倍，同時，由于功耗明顯增加，需要的電感規(guī)格更高，使得平均單價（ASP）與一般服務(wù)器相比，高出5~8倍。.另外，由于DDR5滲透率逐步提升，必須搭配更多、更好的電感。
AI服務(wù)器的功耗顯著提升，為了改善瞬時響應(yīng)性能，需要新增TLVR電感，每臺AI服務(wù)器需新增5~10個，而TLVR電感的單價是一般電感的3~5倍。
不止最新的AI服務(wù)器，越來越多的高性能計算系統(tǒng)都需要更多、更好的電感。一般服務(wù)器僅升級CPU，電感用量就會顯著增加，以Eagle Stream升級到Birch Stream為例，因為CPU功耗提升約50%，電感用量要增加50%~70%。
可見，對于各大無源器件廠商，特別是高品質(zhì)電感企業(yè)來說，新商機就在眼前。目前，業(yè)界排名靠前的相關(guān)廠商包括TDK、國巨、順絡(luò)電子、臺慶科、ITG和EATON等。
如前文所述，在高性能計算的電源管理系統(tǒng)當中，芯片電感的用量正在增加，這不僅對國際大廠是好消息，對中國本土相關(guān)企業(yè)來說，也將迎來提升產(chǎn)品品質(zhì)和市占率的機遇期。中國芯片電感業(yè)起步較晚，在發(fā)展初期，技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)管理水平都落后于國際大廠，特別是TDK、村田、奇力新和太陽誘電這幾家知名企業(yè)。最近幾年，中國本土的順絡(luò)電子一直在發(fā)力，排進了全球前五位，此外，值得關(guān)注的本土芯片電感企業(yè)還包括鉑科新材、麥捷科技、屹通新材、天通股份、東睦股份、橫店東磁等。
?06、結(jié)語
在高性能計算系統(tǒng)，特別是AI服務(wù)器的市場規(guī)模不斷擴大的當下，對關(guān)鍵芯片元器件的要求越來越高，不止GPU和CPU這些高性能處理器，對電源管理系統(tǒng)，及其相關(guān)芯片和元器件的用量和品質(zhì)要求也有顯著提升。
作為電源管理系統(tǒng)當中不太顯眼，但又不能缺少，且用量較大的電感和電容來說，越來越高的計算系統(tǒng)功耗，正是它們充分發(fā)揮效能和作用的舞臺，相關(guān)新技術(shù)和新材料也有望不斷涌現(xiàn)出來。
對于無源器件廠商來說，具有高品質(zhì)產(chǎn)品的國家大廠依然會獲得更好的商機，而對于中國本土相關(guān)企業(yè)來說，國內(nèi)的巨大市場，給了它們足夠的施展空間，有更多機會搶奪國際大廠的市場份額。
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