Vicor 48V電源設計峰會 揭示最新AI資料中心電源技術
- 李佳玲/整理報導
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在AI人工智慧、大數據等應用帶動下，新一代AI處理器的功率需求正快速成長，使伺服器機架的電源設計面臨了新的挑戰，並開始朝48V架構移轉。Vicor是高功率密度電源解決方案的領導廠商，在日前舉行的「48V電源設計峰會」上，介紹了為AI資料中心所建構的完備解決方案。藉由最先進電源技術的引進，將能協助台灣業者快速掌握此新興商機，縮短產品上市時程，並提升產品的附加價值。
Vicor台灣區總經理翁鴻裕在致詞時表示，48V電源架構是新一代資料中心的重要趨勢，而且在包括工業、鐵路、汽車、ATE(自動化測試設備)等領域也逐漸獲得採用。隨著電源系統的要求更為嚴苛，Vicor致力於提供完整的解決方案來簡化設計並降低損耗，讓積極朝高階產品移轉的台灣業者能專注於發揮其系統設計優勢，而困難的電源設計問題就交給Vicor來解決！
48V電源應用日益廣泛 Vicor建構完整方案
Vicor副總裁Robert Gendron表示，近來在AI應用推動下，包括CPU/GPU/ASIC(XPU)等高效能運算(HPC)處理器要求的峰值電流從2000年的300A持續上升，到2018年已高達1000A。現在客戶已無法再以傳統方式來滿足此新類型XPU對伺服器電源效率與散熱的設計要求。因此，我們需要重新評估現有的電源架構、電源分布、以及散熱方式，才能因應AI處理器與日俱增的功率需求。
為了解決現行12V架構功率損耗與佔位面積大等問題，採用更高功率密度的設計是最明顯的解決方案。若改採48V架構，電壓升高四倍，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是專注於功率密度與效率的電源解決方案供應商，我們的48V產品已獲得了Google等領先業者的採用。此外，我們已建立了一個涵蓋從三相交流電源轉換為48V直流、或是在系統中提供12/48V雙向轉換，以及把48V直接送到負載點(PoL)的完整方案，適用於直接從48V匯流排為各種負載及輔助電源供電。
除了資料中心，48V的應用正日益廣泛，我們在汽車、腳踏車／機車、軍用、LED照明、電動手工具、工業自動化等領域也都有採用實績，相信此趨勢將逐漸發酵，未來市場會進一步擴展。
高密度、高整合度的三相AC前端解決方案
Vicor產品行銷總監Ian Mazsa表示，自2010年起，伺服器機架要求的功率逐步攀升，而更高的功率，意味著功耗與熱產生量的持續增加。他引述Google資料中心副總裁Joe Kava日前的說法，前兩代Google TPU還能利用傳統的空氣冷卻技術來應付，但從第三代TPU起，便已不再足夠了。
由此可知，隨著資料中心朝高功率設計移轉，如何提供更高的電源系統效率和密度，已成為刻不容緩的議題，因為這將能帶來諸多的效益，包括更低的損耗、更低的散熱需求、更高的空間利用率、以及更高的成本節省等。為了提升電源系統基礎架構的密度與效率，並把交流電壓轉換為直流電壓以為電路供電的前端元件也一併考慮在內，Vicor日前推出了最新的10kW PowerTablet AC-DC轉換器。
Mazsa指出，高功率供電解決方案必須滿足三個要素：第一，需能把三相電路直接接線至機架中，以消除與單相有關的相位和負載平衡問題；第二，支援安全電壓(SELV) 48V穩壓輸出，與12V相比，配電損耗可減少16倍；第三，可提供模組化的電源元件，以Vicor為例，透過搭配其48V PoP解決方案，即可為資料中心建構高密度和高效率的電源架構。
憑藉著Vicor獨特的電源與封裝技術優勢， PowerTablet AC-DC轉換器模組的尺寸僅為24cm x 15cm x 1.5cm，大小就如同平板電腦一般，但卻可實現所未有的功率密度，是傳統三相AC-DC解決方案的4倍。
在實際應用上，並聯的四個 PowerTablet可在1U機架空間內提供高達40kW功率，或是能分布在整個機架中，以為機械設計和散熱方案提供更高的自由度。此外，傳統的AC電源因為表面輪廓不規則，通常只適合風冷系統，且熱量分布不均勻，但PowerTablet的薄型設計，可輕鬆整合在包括液冷和液浸式等先進的散熱系統中。
PowerTablet AC-DC轉換器還可支援容錯陣列功能，模組中有三個3.33kW的單元，每個相位可獨立工作，並支援單元之間和陣列之間的壓降均衡。透過這些優異的特性，PowerTablet能以Delta或Wye連接方式支援全球各地從200至480V的三相交流基礎架構，具備良好的設計靈活度。
PoP合封電源：AI處理器的高效率電源供應
PoP(Power-on-Package)合封電源是近來Vicor為滿足高功率AI處理器需求的一大突破。今年NVidia在年度GTC大會上推出的48V Volta 100 GPU便是採用這項技術。
Vicor應用工程師楊有承表示，PoP的概念是，透過把模組化電流倍增器(MCM)放在非常接近XPU的位置，可消除傳統12V多相位穩壓器方案在「最後一英吋」電流供應路徑過長所招致的大量功耗損失及傳輸頻寬的限制，而且能夠減少接腳數，簡化設計。
此技術是以Vicor既有的Factorized Power Architecture(FPA)為基礎，亦即先利用一顆預穩壓器模組(PRM)來調節48V輸入，再搭配一顆電壓轉換器模組(VTM)把調節過的48V輸入電壓轉換為處理器所需的1V左右直流電壓，以實現從48V轉換為1V或以下XPU所需的電壓應用。此技術已量產5年多，獲得市場的普遍採用。
但是VTM囿於高度限制，無法直接放在XPU旁，因此透過重新調整此一架構，把VTM的前端與PRM整合，形成模組化電流倍增器驅動器(MCD)，而剩下的VTM部分則成為厚度較薄的MCM，便可放在XPU的旁邊。此外，MCM還可並聯，以支援較高電流的XPU。
由於MCM具備尺寸精巧與低雜訊特性，能夠與對雜訊敏感的高效能XPU封裝在一起。如此一來，可將來自穩壓器的大電流供電從主機板移至XPU旁邊，實質上取消了電源配送網路，不僅能免除「最後一吋」的功率損失問題，還有助於簡化XPU附近的布局?密度，並減少XPU的大部分電源接腳，讓XPU I/O能有更多的靈活性與功能。
在實際應用上，例如ExaScaler/PEZY超級電腦公司的Gyoukou超級電腦，便是將其PEZY CPU與Vicor合封電源MCM封裝在一起，可在XPU上實現高效率的48V直接降壓到次1V電流倍增。
藉由把既有的PRM+VTM架構更新為MCD+MCM架構，此合封電源方案在降低互連損耗、簡化線路設計方面，都展現出顯著的優勢。目前的PoP方案可在1V或以下電壓提供600A的連續電流和高達 1,000A的峰值電流，以協助開發人員克服傳統12V系統提高效能的障礙。
在現有的12V架構中為48V GPU供電
另一方面，隨著NVidia推出新款48V GPU，對設計人員來說，如何在既有的12V架構中支援這類的先進AI處理也已成為另一個重要課題。
為此，Vicor推出了2317 NBM (非隔離式匯流排轉換模組)，其概念是資料中心仍維持既有的12V架構，但人工智慧GPU部分，則透過12V轉48V升壓的方式，另提供一條電源為GPU供電。
楊有承表示，相較於傳統利用多顆離散元件，以多相升壓方式來實現12V轉48V的需求，NBM模組有許多的優勢。首先，傳統方式不僅需要多顆離散元件，佔位面積大，而且效率至多僅93%。若以一張GPU顯示卡300W功率，AI應用需要8張顯示卡，功率為2.4KW來計算，其損耗會高達約200W。這代表著系統熱源上升，必須額外的散熱設計，增加成本。而Vicor的NBM效率高達98.1%，損耗僅為傳統設計的三分之一，可顯著降低電源成本。
2317 NBM採用 23 x 17 x 7 mm表面黏著封裝，是一款雙向轉換器，不管是在輸入為 12V，輸出為 48V 應用下，還是在輸入為 48V 而輸出為 12V 應用下，均可穩定提供 750W 的功率，帶來超過98% 的峰值效率。
此外，NBM的工作頻率為1.7 MHz，遠高於一般的200 KHz，僅需6~8顆外部元件即可，而且瞬態響應更快。另一個顯著差異是，傳統是以PWM方式升壓，為硬開關切換，易造成EMI問題，需外加過濾器來解決。而NBM採用SAC(正弦振幅轉換)架構，沒有EMI雜訊問題，無需擔心高速線路的干擾。
資料中心的電源供應挑戰
Vicor應用工程師李明德則是針對資料中心機架內的電力傳輸以及板端電源，介紹目前業者面臨的挑戰以及Vicor提供的解決方案。
首先，由於可免除多拉一條單相AC電源的負擔，直接以三相交流電流為機架供電正日益受到青睞，因為不管在效率、設計簡易性、以及營運成本方面都有顯著的效益。Vicor新推出的RFM9459可直接把200/240/400/415V的三相電流轉換為48V-54V的直流電，且峰值效率達97%。單個RFM可提供高達10kW的功率，亦可並聯滿足更高的功率需求。
在板端方面，Vicor是48V方案的領導廠商，透過PRM+VTM架構，可直接把48V傳送到XPU，與傳統12V架構相比，能降低功率耗損，簡化線路設計，實現更佳的成本效益。
此外，隨著資料中心從12V朝48V移轉，在此過程中系統必然有許多兩種電壓並存的需求。除了之前介紹的NBM模組能在既有12V架構中為48V處理器供電的應用之外，業者也有可能需要在48V架構中，採用降壓方案， 以為風扇、硬碟、或CPU等既有的12V子系統供電。
NBM是12/48V雙向電壓轉換器，除了作為升壓之用，亦可拿來降壓，以因應這類需求。
此外，Vicor還可提供多種PoL降壓方案，利用其Cool-Power ZVS降壓穩壓器，可滿足48V降壓到12V、5V和3.3V的需求，電流可支援10A~22A。它是以軟切換技術為基礎，效率可達95%以上，並提供多種封裝形式。
以先進技術因應電源架構改變趨勢
Vicor應用工程師張仁程介紹說，Vicor是一家已成立超過三十年的公司，但過去專注於軍用及高功率應用，對於以消費性市場為主的台灣著墨較少。但近年來，隨著台灣產業朝附加價值更高的工業、汽車與高效能運算市場移轉，Vicor便積極引進最先進的電源技術，以因應台灣產業的轉型需求。
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、散熱少，以及自動量測 (telemetry)等各種需求。也由於系統對電源的要求越來越嚴苛，電源設計已成為產品具差異化特性的重要一環。
Vicor致力於以高功率密度方案來滿足新興的電源需求。例如，為了滿足產品輕薄短小、但又要求高功率的要求，近來「功率重量比」已日趨重要，也是我們持續研發的課題。此外，為了提升嵌入式系統的整合度，電源模組對低雜訊與低EMI要求也更高。而為滿足新一代產品的連網需求，未來我們的產品都將提供PMbus介面，以支援資料傳輸的需求。
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。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。
最後，為了協助設計人員降低電源系統的設計風險，Vicor還提供了完整的線上設計資源工具(Power System Design Tools)，其中包含電源系統設計工具、模擬、配置工具、以及白皮書、影片資源等豐富內容，可協助設計人員快速搜尋所需的電源模組，並有效地進行電源系統設計，以期透過採用高效的電源方案，提升產品的差異化優勢。(DIGITIMES李佳玲整理報導)
