云計算對電源模塊帶來哪些挑戰(zhàn)？MPS大電流、多路輸出模塊來助力

1 云計算與AI對硬件加速的需求越來越大

過去幾年，大數(shù)據(jù)與人工智能（AI）高速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量應(yīng)用，諸如機器學(xué)習(xí)，圖片識別，信號處理，仿真引擎等。這對數(shù)據(jù)中心以及云計算相關(guān)的基礎(chǔ)架構(gòu)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的基于CPU的軟件處理和加速已無法滿足需求。

傳統(tǒng)的CPU架構(gòu)是串行的處理架構(gòu)，限制了高帶寬、大數(shù)據(jù)量的處理需求。為此出現(xiàn)了基于GPU、FPGA、ASIC等加速芯片的加速硬件，它們能并行處理數(shù)據(jù)，極大地提升了效率。例如對于相對簡單的數(shù)據(jù)計算，例如矩陣類的數(shù)據(jù)計算，加速芯片可以提供不少于20倍的加速能力。 

目前的加速主要分為三類：計算加速、存儲加速、通訊加速，基本涵蓋了數(shù)據(jù)處理的各個環(huán)節(jié)。各大加速芯片的制造商也推出了基于自家芯片的硬件加速卡，例如賽靈思推出了ALVEO系列，用于數(shù)據(jù)中心，還有通信用TESLA系列的加速卡。

這些加速卡給相配套的電源設(shè)計方案提出了諸多挑戰(zhàn)。

2 加速硬件用電源的趨勢   

主要有四個：迅捷、高效、集成化、可拓展。

·迅捷。包括兩方面：①電源解決方案需要有更高的響應(yīng)速度，以適應(yīng)更大的動態(tài)跳變，②電源解決方案的開發(fā)速度非?？?，以適應(yīng)更短的加速硬件的研發(fā)周期。

·高效。需要提供高效率的解決方案，以應(yīng)對更加緊湊的硬件設(shè)計。

·集成化。體現(xiàn)在兩方面。①減少占板面積。因為加速卡的設(shè)計非常緊湊，也需要匹配全集成的模塊——需要集成電源管理晶圓、功率管，以及電感、電容、電阻等被動元件。這樣客戶會有更多的板面積用于其他功能，例如內(nèi)存/HBM（High‐bandwidth Memory）等。②需要多路輸出的電源，即在同一封裝內(nèi)加入多個輸出，以靈活匹配日趨復(fù)雜、集成度更高的加速芯片。

·可拓展。可以靈活搭配多種加速環(huán)境和應(yīng)用。因為大數(shù)據(jù)和AI發(fā)展很快，正不斷涌現(xiàn)之前完全沒出現(xiàn)過的應(yīng)用，所以電源解決方案需要足夠靈活，以便迅速適合全新的應(yīng)用。 

3 加速芯片所需的供電架構(gòu)

主要是五方面：和電壓降低，多路輸入，電流隨應(yīng)用變化，大動態(tài)，開發(fā)迅捷。

1）核電壓降低。由于加速硬件在AI和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，所以各大加速芯片廠家也紛紛推出先進(jìn)工藝的加速芯片。以FPGA為例，加速芯片已達(dá)最先進(jìn)的7nm制程，以在同樣的尺寸內(nèi)集成更多的邏輯單元。不過，由于邏輯單元的密度越來越高，會使芯片的整體功率越來越大。另外，由于采用更先進(jìn)的制程，核電壓越來越低。

2）多路輸入。加速芯片除了集成了更多的邏輯單元外，還會集成Arm處理器、DSP、優(yōu)化的加速引擎等，這種越來越高的集成化也會造成針對加速芯片的電源的解決方案越來越復(fù)雜，需要不同的電壓、不同路的多路輸入，即電壓軌越來越多。

3）電流隨應(yīng)用變化。隨著應(yīng)用的不同，電源解決方案的電壓軌的數(shù)量，還有電流也是不同的。①加速芯片的廠商會在同一系列下的芯片，會針對不同的應(yīng)用做優(yōu)化，這會造成加速芯片的電壓軌和輸入的電流各不相同；②即便是同一款加速芯片，在不同應(yīng)用場合所用到的內(nèi)部的邏輯資源也是不同的，例如對于某些應(yīng)用，同一款加速芯片可能會占用內(nèi)部80%的資源，那么它對核供電的電流的要求就基本要求100%。如果它的滿載是120A，可能就需要用到120A。在另一些場合，可能用到50%的邏輯芯片，因此對核供電的電流要求會下降，例如120A的滿載，可能會用到50A、60A。

4）大動態(tài)。下圖是一個典型的加速芯片對于輸入電流和輸入電壓的要求和波形。典型的輸入電壓是0.72V，所需的滿載電流是180A。為了滿足這種應(yīng)用環(huán)境對資源的調(diào)用，就要求負(fù)載跳變需要 0~ 100A（步長），這是一個很大的動態(tài)；同時，會要求di/dt（上升沿）也是很快的變化速率，這就造成了FPGA這種核供電對大動態(tài)的要求。然而，在這種大動態(tài)電流要求的背景下，輸出電壓并不能出現(xiàn)太大的波動，典型的峰-峰值要求是<±3%。

5）開發(fā)迅捷。指電源的研發(fā)周期需要盡可能短。電源模塊可極大縮短這種加速硬件的開發(fā)周期，例如MPS公司的電源模塊可以在2周內(nèi)把選型、采購還有原理圖設(shè)計完成，然后在1~3周內(nèi)去制板和組裝。由于MPS的電源模塊做了高度集成和優(yōu)化，客戶上板以后就不需要再做額外的優(yōu)化采購的動作，不僅簡化了原理圖和PCB 布線，還可以把開發(fā)周期極大地縮短。

模塊電源在現(xiàn)在芯片缺貨現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下更有意義。因為采用分立器件方案，客戶需要跟多個供應(yīng)商打交道，一個環(huán)節(jié)出問題都會影響進(jìn)程。采用模塊后，現(xiàn)在只和一家模塊供應(yīng)商聯(lián)絡(luò)即可。

4 MPS的大電流電源模塊

深耕電源模塊多年的MPS公司的產(chǎn)品符合上文提到的特點。MPS有很多適合各種應(yīng)用場景的模塊產(chǎn)品。近日，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理楊恒博士向電子產(chǎn)品世界記者介紹了大電流模塊系列新產(chǎn)品、MPS獨特的雙輸入系統(tǒng)解決方案以及多路輸出模塊的新產(chǎn)品（如下圖紅標(biāo)產(chǎn)品）。

·MPM3695-100大電流可拓展模塊

2021年4月的慕尼黑上海電子展上，MPS展出了一款800A高動態(tài)響應(yīng)可拓展電源平臺展品——并聯(lián)搭載了8顆MPS電源模塊產(chǎn)品MPM3695-100。其單顆芯片持續(xù)輸出電流達(dá)100A，且支持最多8顆并聯(lián)擴(kuò)展達(dá)最大800A負(fù)載電流能力。同時內(nèi)部集成PMBus接口、調(diào)試靈活，外圍電路也非常簡單，非常適用于未來5G、人工智能、云服務(wù)、硬件加速等大電流POL（負(fù)載點）供電場景。

它支持4~16V 輸入; 0.5~3.3V 輸出。其效率非常高，在典型的12V 輸入、1V 輸出時，最高效率可達(dá)90%。外一個顯著優(yōu)勢是超高速動態(tài)響應(yīng)，即基于 Constant‐on‐Time（COT），在動態(tài)的時候可以針對時鐘的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可極大地增加動態(tài)響應(yīng)，以減少輸出電容的尺寸和數(shù)量。

另外占位面積也很小，與分立方案相比，最多降低70%的占板面積。同時它還是一個數(shù)字模塊，有數(shù)字可編程的功能，客戶可以去優(yōu)化它們的配置。

·MPM82504等多路輸出的電源模塊

MPM82504是業(yè)界首款四路25A可拓展的電源模塊。與MPM3695-100一樣，支持4~16V 輸入; 0.5~3.3V 輸出。它的最大優(yōu)勢是提供了四路 25A 的輸出電流，并且可以在四路之間任意并聯(lián)，同時模塊與模塊之間也可以并聯(lián)(如下圖)，以快速靈活地適應(yīng)不同的應(yīng)用，同時可以通過片間并聯(lián)來達(dá)到和MPM3695-100一樣的最多 800A的輸出電流。

另外一個優(yōu)勢是通過這種高集成化多路輸出的電源模塊，可以極大改善在加速硬件板卡上的占板面積。

由于這種多路輸出在加速卡應(yīng)用的場景非常有優(yōu)勢，MPS此次同步推出了多款多路輸出的電源模塊。在多路輸出的電源模塊的系列中，分為雙路輸出和四路輸出。

①雙路輸出推出了3款產(chǎn)品：3690-20A、3690-30A和3690-50A，這3個產(chǎn)品是Pin-to-Pin 的，分別提供了雙路13A、雙路18A和雙路25A的輸出能力。

②4路輸出的電源模塊有3款新品，電流從低到高是MPM54504是四路5A的電源模塊，MPM81204是雙路12A+雙路5A，以及上文介紹過的MPM82504，該模塊是4路25A。

為何MPS的電源集成方案最多是4路的？沒有更多路的？實際上，從技術(shù)難度來講，首先是芯片需要有多路輸出的能力，其次從封裝的角度來看，我們需要把更多的晶圓和被動元件集成在同一個封裝里面，這是技術(shù)的難度，但是對于MPS來講這個難度并不大。那么要不要做這種擴(kuò)展？這主要取決于市場。現(xiàn)在看來，兩路和四路輸出是比較優(yōu)化的方案，因為如果更多路輸出，要把全部電源集成在PCB上的一個點，對于客戶的布板反而有點不太方便。

5 MPM3695‐100的高性能是如何實現(xiàn)的？

1）動態(tài)性能為何非常好？

在輸出電流出現(xiàn)動態(tài)的時候，控制環(huán)路需要非?？斓厝ロ憫?yīng)這個動態(tài)。MPS的產(chǎn)品因為使用了COT的控制架構(gòu)，這種COT的控制架構(gòu)允許Buck變換器在出現(xiàn)跳變的時候去變頻控制，即converter的運行頻率并不是固定的，而傳統(tǒng)的電流控制架構(gòu)是固定的，例如600kHz。COT在跳變的時候是會增加switching（開關(guān)）的頻率，所以會提供更好的動態(tài)性能。

2）電流達(dá)100A，需要解決哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？

挑戰(zhàn)主要來自晶圓的設(shè)計和封裝的集成性兩個方面。

①從晶圓/IC 的設(shè)計上，MPM3695‐100的IC是專門針對這個模塊進(jìn)行優(yōu)化的，同時它集成了控制芯片、功率管、驅(qū)動電路等。晶圓本身提供了非常高的集成性，同時在高集成下還要提供非常高的效率。

②封裝方面，需要把多顆晶圓和多個被動元件集成封裝在同一個package里。該模塊采用最先進(jìn)的Flip‐chip的封裝再加上基板的設(shè)計，業(yè)界稱它為先進(jìn)封裝，這種封裝很多應(yīng)用是在非常領(lǐng)先的手機類IC的封裝上會用到， MPS也把它用到了電源類產(chǎn)品上。

3）如何解決散熱？ 

主要是兩方面，一方面從源頭上去減小loss（損耗）的產(chǎn)生；另一方面，對于已經(jīng)產(chǎn)生的loss，要通過降低熱阻的形式，迅速地把它散出去。

①怎樣從源頭降低功率損耗的發(fā)生？MPS通過使用monolithic這一特殊工藝，可以把片上的寄生參數(shù)控制得非常好，這非常有助于降低開關(guān)損耗（switching loss）。那么conduction loss（傳導(dǎo)損耗)是基于MPS的芯片研發(fā)和芯片制造的工藝，通過工藝上的改善來降低conduction loss，所以這兩方面結(jié)合起來，可以把運行的效率提高得較高。

②產(chǎn)生了損耗以后，如何把它及時地散出去？在散熱方面，MPS有很多創(chuàng)新/專利，包括內(nèi)部散熱片的使用。同時也會使用先進(jìn)的倒裝工藝，可以使IC/晶圓通過銅柱和基板相接觸，這樣可有效地降低晶圓到基板到PCB的熱阻。

4）與競品的差異化

① MPS的功率芯片、模塊都是MPS制造的。所以從芯片設(shè)計的源頭開始，MPS擁有自己的工藝、晶圓、生產(chǎn)線。所以相比一些需要從外部采購功率管的廠商，MPS具有成本上優(yōu)勢，同時也有設(shè)計優(yōu)化、質(zhì)量控制的優(yōu)勢。

②從性能上，加速卡有幾個趨勢：高效率和高動態(tài)。這兩點MPS相比其他的競爭對手是非常有優(yōu)勢的。首先高效率，MPS的工藝都是針對功率IC來優(yōu)化過的工藝，所以能提供更高的效率。另外，有非常快的動態(tài)響應(yīng)，MPS有獨特的COT的控制方案，這種控制方案會提供動態(tài)的效率，在性能上具有極大的優(yōu)勢。再有，MPS跟很多加速芯片、加速卡的生產(chǎn)廠家有深度合作，MPS的很多參考設(shè)計是加速芯片廠家驗證過的。