Vicor以完備電源技術克服高密度功率系統的設計挑戰
- 台北訊
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近年來，在雲端伺服器、工業用機器人、以及電動汽車、航空、通訊等高階應用興起的趨勢下，帶動了對高階電源解決方案需求的快速成長。
具備創新的拓撲架構及封裝散熱技術的Vicor，日前在台北舉辦了先進電源技術研討會，詳盡介紹了該公司的完備解決方案及其提供的體積小、重量輕、功率密度高、散熱容易及高轉換效率等特性，可協助業者克服高密度功率系統的設計挑戰，並實現顯著的差異化優勢。
Vicor台灣區總經理翁鴻裕在致詞時表示，Vicor是高階應用首選的電源解決方案供應商，可提供從前端(Front end)到板端負載點(POL)的完整電源解決方案。
研討會中，在系統電源方面，特別聚焦於20KW以上高功率資料中心的三相電源AC-DC解決方案；而在板端應用，則說明伺服器最新的48V架構移轉趨勢，以及如何運用Vicor解決方案實現16倍功率損失的降低。
隨著台灣產業朝工業、汽車及資料中心等高階應用邁進，Vicor將致力於以最佳的方案與服務，協助業者更專注於高效能系統的開發，並提升其競爭優勢。
全球電力網路演進帶動的新機會
Vicor資深產品行銷經理John Pitrus指出，在溫室效應氣體排放帶動的環保觀念、各國對太陽能、風力等再生能源的積極投資與部署、以及分散式能源與儲存技術的持續發展等因素推動下，目前全球的電力網路正快速演進。
而另一方面，由於人口成長，大陸和印度等國家的工業化、以及人工智慧、物聯網等新興應用崛起，使得全球對於能源的需求持續成長，預計到2030年將成長2%，達33TWh。
這些趨勢與挑戰為電源設計帶來了新的機會。Vicor解決方案能以最高的效率與密度協助客戶將轉換並管理電網規模的電源到負載點(PoL)設計，相關的應用包括高電壓直流電源分布、三相電源直接到機櫃、以及48V和12V之間的雙向電壓轉換等。
以Vicor近來的一個成功應用為例，日本ExaScaler/PEZY(ExaScaler and PEZY Computing)於2016年底發表第一款每立方公尺效能密度達1,500兆次(1.5 PetaFLOPS/m3)的超級電腦ZettaScaler-1.8，便是採用Vicor的380V高壓直流輸入轉48V直流供電，以及Vicor的高密度、高效率、直接到載(Direct-to-PoL)轉換器將48V電壓轉換到PEZY運算處理器所需的低電壓、高電流電源。
結果顯示，系統在效率與功率密度方面均實現了大幅提升。此外，在三相電流直接到機櫃方面，Pitrus表示，Vicor已推出480V三相交流電源轉換到48V直流電壓的解決方案，與傳統的設計方案相比，不僅效率與密度更高，而且無需相平衡設計、較少的系統漣波效應，設計更為簡易。
而在48V與12V雙向電壓轉換方面，Vicor則是推出新款非隔離式主線(Bus)轉換器，可提供98.5%的峰值效率，以實現新興的電源儲存應用。
Vicor如何實現資料中心的48V電源設計
Vicore功率元件部門副總裁Robert Gendron指出，目前48V已經用在超級電腦與超大規模(hyperscale)資料中心，但為滿足現今CPU/GPU的更高功耗、更高暫態需求，以及機櫃功率朝15KW、20KW甚至40KW以上發展的需求，都推升了對更高功率密度48V的移轉趨勢。
傳統的12V設計需要較高的電流，因此CPU需要採用多相電流設計，此架構已沿用了20年之久。若採用48V設計，便能捨棄傳統的多相電流架構，在效率、密度、成本等各方面都能提供更佳的設計與效能，並能加速上市時程。但另一方面，伺服器架構上的分散式電源會造成功率的損耗。從48V移轉到12V雖然可降低16倍的功耗，但須考慮效率的問題。
Vicor採取其經過驗證的Factorized Power架構來解決此一問題。此架構捨棄了傳統的多相電流，讓48V能直接供電給CPU，而且僅需少數的元件。
Factorized Power架構包含兩個主要元件，第一個是PRM(預穩壓器模組)，利用其高效能的零電壓切換(ZVS)拓樸僅處理預電壓調節功能。第二個元件是VTM(電壓轉換模組)，利用弦波振幅轉換(SAC)拓樸，將前一階段調節好的電壓轉換至CPU所需的電壓。
利用穩壓、轉換的兩階段的功能，便能使48V的轉換達到與傳統12V多相電流的效率。以整體系統效能來看，目前Vicor的Gen3++產品已可達到94%的效率，2018年將進一步推出效率95.5%的新產品。
Vicor近來的一個重要成功案例是緯穎科技(Wiwynn)在3月舉行的OCP美國峰會上，預先展示了其48V伺服器平台M1。此平台基於新一代Intel Xeon處理器，相較於傳統的12V多相位方案相比，將採用Vicor的Factorized Power架構，確實實現了高轉換效率、高功率密度及低配電損耗等特性。此外，利用Vicor解決方案，亦具備包括縮小CPU附近的電壓轉換區域佔用面積、暫態效能以及尖峰值功率輸出等效益。
Gendron表示，展望未來，高密度VTM不僅能有助於輕鬆地在CPU旁邊佈線，為了降低「最後一吋」的功率損失，還能進一步整合到CPU中。透過將VTM放置在CPU封裝中，不但能免除VTM與CPU之間的線路，其他的效益還包括，簡化CPU附近的布局／密度，並減少CPU的大部分電源接腳，讓CPU I/O能有更多的靈活性與功能。目前Vicor已著手與處理器業者合作，朝此方向進展。
運用小型化高功率電源 創造差異化優勢
Vicor現場應用工程師張仁程表示，隨著電源架構的改變，電源解決方案也須滿足寬廣的輸入範圍與高輸入電壓、高輸出功率、高效率、高密度、小尺寸、重量輕、以及散熱少等各種需求。
據統計，在2010年，資料中心一年用掉2,500億度電力，金額達350億美元，佔全球用電量約2%，而且資料中心將會是用電量成長最快的領域之一。估計2020年全美資料中心能源耗用將達到1,400億度電力，特別是隨著雲端資料中心的快速發展，用電量將持續攀升，因此如何改善資料中心的效率已是刻不容緩。
Vicor的電源拓樸架構及封裝散熱創新技術，是能夠以小型化方案實現高效率、高功率密度、以及低雜訊電源設計的重要關鍵。
在電路拓樸部分，Vicor主要有三種架構方案：第一是零電壓切換穩壓器(ZVS Regulator)，這是非隔離式的DC-DC穩壓器，產品有預穩壓器模組(PRM)、以及Cool-Power ZVS升壓、降壓以及升降壓穩壓器。
二是雙箝位ZVS (DC-ZVS)，這是隔離式的DC-DC或AC-DC轉換器，產品有DC轉換器模組(DCM)、Cool-Power轉換器、以及功率因素模組(PFM)；三是 弦波振幅轉換器(SAC)，這是隔離式、固定比例的DC-DC變壓器，產品有主線換換器模組(BCM)、中間主線轉匯器(IBC)、以及電壓轉換器模組(VTM)等。
張仁程強調，Vicor的穩壓器產品能在高輸入電壓下支援1MHz的運作頻率，這意味著，開發人員可選用額定值較低的電感與電容等外部被動元件，而使整體系統的尺寸縮小。此外，透過我們特殊的ZVS拓樸設計，能使雜訊降低，這也是能實現精巧的產品尺寸的重要因素。
另一方面，封裝技術也是Vicor產品的重要差異化優勢。以其ChiP(Converter housed in Package；轉換器級封裝)為例，ChiP產品的設計在PCB兩面都有功率組件，可減少寄生導致的損耗，因此不僅可對整個封裝均勻徹底地散熱，而且還可利用頂部與底部表現進行散熱。
此外，ChiP封裝在增強型模壓化合物中，不僅可降低溫差，而且還能更方便使用熱管理配件，如散熱器、冷卻板和熱管等，提供平整的模組頂部和底部表面。
另一款重要的封裝技術為VIA(Vicor Integrated Adapter)，其中整合了濾波器，且外形精巧，寬度僅為35.5mm，長度範圍為72？141mm，高度為9.3mm，具備業界領先的功率密度。Vicor可提供電路板安裝或底座安裝兩種版本，可依需求最有效率地在適當位置安裝組件。
VIA的高效率雙面散熱外殼可將熱量從封裝內的組件上下部散發，但只需從一面散熱就可以，在最佳化散熱的同時，可簡化散熱設計。讓系統底座成為散熱設計的一部分，並且在許多應用中無需用到風扇，因而可在提升系統可靠性的同時，進一步減少所需的空間。
張仁程介紹了Vicor一系列解決方案的多個成功應用案例，包括電視牆(Video Wall)改採48V電源分布的設計、家庭能源儲存、無人機、電動車、軌道車輛、以及基地台等多種應用。
48V新世代伺服器電源解決方案
Vicor現場應用工程師楊有承詳細介紹了Vicor的48V新世代伺服器電源解決方案。事實上，48V架構在通訊領域已經採用很久，近年來由於CPU/GPU/ASIC等處理器的功耗升高，機櫃功率已超過了15KW的臨界值，甚至朝36KW發展。因此，在Google的積極推動下，開始了伺服器朝48V架構移轉的趨勢。
相較於現行12V架構，電壓升高4倍，在相同功率下，意味著電流僅為四分之一，因此功耗可降低16倍。此外，由於電流降低，所需的纜線線徑也較小，可以顯著降低所需的佈線空間。
Vicor的48V直接到PoL方案主要包含一顆Cool-Power ZVS升降壓穩壓器，用來調節48V輸入；一顆VTM轉換器將調節過的48V輸入電壓轉換為處理器所需的1V左右直流電壓；另一顆為數位控制器，用來連結CPU與穩壓器，以提供數位控制、自動量測(telemetry)以及與CPU通訊的功能。
就尺寸設計來看，在高密度伺服器電路板上，空間是很寶貴的，在CPU周遭更是如此，因為需要大量的I/O繞線空間。但是，CPU的電源必須放置在附近。Vicor的解決方案僅需要將VTM元件放在CPU旁邊，而PRM可放在PCB板的邊緣。這與12V多相設計相比，不僅可節省50%的空間，而且還能顯著降低雜訊，這是採用Vicor架構的另一個重要效益。
Vicor開發48V電源方案已有10年的歷史，在此領域擁有領先地位。從2007年IBM的P6系統開始，到2017年的P9系統，都是用Vicor的解決方案。而針對Intel，則是從2011年的VR12.0開始支援，並一路隨著版本更新，能夠支援最新的VR13以及未來的VR14。此外，針對AMD、Cavium和NVIDIA等業者的CPU和GPU也都可以支援。
最後，楊有承介紹了Vicor的線上電源設計工具。Vicor PowerBench是一個工具和參考工作區，其中包含了電源系統設計工具、模擬、配置工具、以及白皮書、影片資源等豐富的內容，可以協助設計人員快速有效地進行電源系統設計。如有興趣想進一步了解Vicor電源技術方案，可聯繫Vicor台北技術支援中心。詳情請至Vicor官方網站查詢。(李佳玲整理報導)
