为了突破数据处理的瓶颈,近年来,各大厂商陆续推出基于GPU、FPGA和ASIC芯片的硬件加速系统。在此背景下,各类计算加速芯片与加速硬件对其供电系统的性能需求也不断升级。

近年来,人工智能与大数据产业的创新和发展速度惊人,基于串行架构的传统CPU越来越无法满足超大数据量处理的需求,为了突破数据处理的瓶颈,各大厂商陆续推出基于GPU、FPGA和ASIC芯片的硬件加速系统。在此背景下,各类计算加速芯片与加速硬件对其供电系统的性能需求也不断升级,以电源产品为例,Agility(高响应)、Efficient(高效率)、Integration(集成化)、Scalable(可拓展)正成为加速硬件电源方案的四大发展趋势。

详解电源模块四大趋势

MPS大电流模块产品经理杨恒解释说,所谓的“高响应”,包含两个方面的内容:一是具有高响应速度以适应更大的动态跳变;二是快速开发解决方案以适应更短的研发周期。

下图展示的,是一颗典型的加速芯片对输入电流和输入电压的要求和波形。可以看出,在输入电压0.72V,满载电流180A条件时,负载跳变范围为0A-100A, 上升沿(di/dt)速率上升也很快。这就表明,加速芯片对于动态响应的要求的确是越来越高,输入电压不能出现太大波动,其典型的峰峰值应该位于<+/- 3%之内。

图1:加速芯片对于动态响应的要求越来越高

同时,传统的分立电源解决方案从选型和采购开始,不但需要挑选各种器件——驱动芯片、功率管、根据不同的电感/电容选择合适的环路补偿,还要考虑相当复杂的原理图和布局设计,一旦出现差错,就会产生多次制板的验证风险。所以,电源模块的出现,极大缩短了加速硬件的开发周期。MPS提供的数据显示,与业界标准的6个月产品开发周期相比,MPS方案能够在18周之内完成从选型和采购,到原理图和布局设计,再到制版和组装的全流程。

图2:电源模块的出现,极大缩短了加速硬件的开发周期

而“高效率”和“集成化”则是相辅相成的。也就是说,由于加速卡硬件设计日趋紧凑,为了将更多PCB板面积留给存储等其它功能,包括电源管理、功率器件、电感/电容/电阻等被动器件在内的全集成模块化电源开始受到高度青睐,从而对“高效率”提出了更严苛的要求。

图3:加速芯片供电架构日趋复杂

“日趋复杂的加速芯片供电架构同样值得我们关注。”杨恒以基于FPGA芯片的加速卡为例,对“可拓展性”进行了说明。得益于制程工艺的突飞猛进,相比此前的16nm/28nm产品,7nm FPGA内部集成了比以往多得多的逻辑单元、功能单元和加速引擎,导致整体功耗偏大,但内核电压却越来越低,这就要求电源模块具备多路输入功能。同时,集成度更高的加速芯片,还希望电源模块能够灵活搭配多种加速环境与应用,让“电流随应用变化”。因此,是否具备良好的“可拓展性”,也成为重要的衡量指标。

MPS的电源利器

MPS电源模块聚焦于大电流与多输出应用场景,给数据中心以及硬件加速卡提供完整的电源解决方案,直指四大需求:

  • 首先,独特的COT(constant-on-time)以及MCOT(multi-phase constant-on-time)控制方法,可以实现大动态负载下的高速响应,极大地减少了输出电容的数量,减低了客户的BOM成本。

以MPM3695-100四模块并联应用为例,如图所示,对于12V输入,0.75V输出,0A-250A的负载大动态切换(100A/us),MPS电源模块可以超快速响应,实现不超过+/-3%的输出电压偏移。这种高响应速度帮助客户完美解决了各类加速芯片对于输入电压精度的高要求,以及由于计算负载切换而产生的大动态电流的矛盾。

图4:MPM3695-100四模块并联大动态响应

(VIN=12V; VOUT=0.75V; 100A/us切换速率;0A-250A动态切换)

  • 单晶圆多路输出的芯片设计以及先进封装工艺的应用,使MPS电源模块在提供高效率转换的同时还具有高度集成性,从而减少客户占板面积和成本。

如前文所述,随着人工智能在多领域广泛应用,硬件加速芯片也在片内集成了更多的功能单元,如高带宽内存(HBM)、数模转换器(ADC)、加速引擎等。由于加速芯片中的多个功能单元需要多路电源输入,各自对电压、电流的要求也不相同,如果使用多个分立的供电芯片或者模块供电,会极大增加电源部分的占板面积,使原本已经非常紧凑的加速硬件设计更为困难。

为了应对以上挑战,MPS推出了多种多路输出电源模块,采用先进封装技术集成了多路输出的功率芯片与被动元器件,提供了全集成的模块解决方案。例如,业界首款四路25A电源模块MPM82504可同时实现并联两路,三路,四路,也可以将多个MPM82504模块并联,实现更灵活的输出组合。

图5:MPM82504四路输出可拓展电源模块,支持多路并联及多模块并联

图6展示了MPS多路输出模块的规格,其中双路输出模块MPM3690系列产品有三种输出规格可选,它的双路EN/PG管脚可用作时序控制;四路输出模块MPM81204是一款双路12A/双路5A电源模块,具有高速动态响应,外部元件极其简单,非常适合5G信号收发器等应用;此外,首款带数字电源管理功能的电源模块MPM54304,及其升级款MPM54504-四路5A电源模块也同样值得关注。

图6:MPS多路输出电源模块规格

多路可并联电源模块为加速芯片日益增加的电流需求提供了可拓展性,为不同场景下多路电源及不同电流的需求提供了单一模块的解决方案,进一步减少了客户新产品的研发成本及时间,同时可快速匹配加速芯片厂商对于不同的加速场景所推出的各类芯片。

由于各个芯片对于供电电流和电压轨数量各不相同,加速硬件厂商需要针对不同的加速芯片重新设计电源方案,增加了产品研发时间和成本。是否能够让加速硬件设计师重复使用单一电源模块的设计,仅通过并联电源模块的多个输出或多个模块,就能实现输出电流的拓展,MPM3695-100为此做出了有益的尝试。该产品可以由单模块100A输出扩展为:双模块200A,3模块300A,最多8模块并联800A输出等供电方案,以支持更广泛的系统要求。图7展示了该模块在8模块并联的应用。

图7:MPM3695-100 8模块并联800A解决方案

“在中国市场,无论是‘十四五’规划,还是‘新基建’战略,都将5G、数据中心和人工智能技术纳入其中,这给电源模块带来了极大的市场机遇。”杨恒表示,在应对云计算与硬件加速对供电系统提出的四个趋势上,MPS电源模块优势独特,可以帮助客户成功、快速地开发高集成性、可扩展、高效率的解决方案。

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