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高速運算衍生功耗新挑戰 英飛凌OptiMOS 6高能源效率化解困境

  • 賴品如

AI、5G、大數據帶動智慧化浪潮,伺服器、網通設備、消費性產品的效能快速提升,在此同時,這些智慧化裝置也對內部的電源管理有更高需求。半導體大廠英飛凌(Infineon)近期推出的TDA21570與TDA21590兩款OptiMOS 6系列產品,不僅強化了能源效率,更透過電流鏡與智慧報錯機制設計,優化系統與設備的運作效率。

英飛凌科技(大中華區)電源及感測系統事業部 行銷部協理Jerry Hsieh指出,AI與5G是科技產業近年來兩大發展焦點,這兩項技術都對系統的功耗設計帶來新挑戰。

英飛凌科技(大中華區)電源及感測系統事業部 行銷部協理Jerry Hsieh。英飛凌

英飛凌科技(大中華區)電源及感測系統事業部 行銷部協理Jerry Hsieh。英飛凌

在AI部分,目前伺服器主要負責演算法中訓練(Training)工作,模型訓練需要運算大量數據,因此耗電本就高,再加上GPU為多核心併聯運算,其電源需求也會隨著核心數量擴充而增加。

5G方面,此標準的重點訴求是大頻寬、廣連結、低延遲三大應用,但不管哪類應用都會產生龐大的數據量,因此系統會讓基地台具備AI能力,先一步篩選數據,以降低頻寬負荷和後端運算系統的負載。由此來看,AI與5G的運算是相互推升,隨著這兩者技術的普及,系統的平均功耗上升功將大幅上升。

不過Jerry表示,近年來半導體製程逐漸逼近物理極限,IC的空間尺寸欲小不易,在此狀態下,功率元件的效率必須更佳、密度要更高,否則處理器長期處於高溫,設備的效能將大打折扣。

除了平均功耗外,現在業者遇到的另一問題是瞬間超載,電子設備瞬間電流超載是常見狀況,過去的電源管理晶片也都有連結機制,回報處理器超載訊息,但現在設備應用越來越多元,電流超載頻率漸高,回報機制如果速度不夠快、訊息不夠精準,將導致處理器產生誤動作,影響設備效能。

為協助系統與設備廠商解決此問題,英飛凌的OptiMOS 6系列產品特意強化相關功能。Jerry提到,英飛凌的OptiMOS系列是包含了電晶體驅動晶片與上/下管功率電晶體的Power Stage產品,之前每一代產品都會提升20~30%的FOM(品質因素),TDA21570與TDA21590的輸出直流電流能力,就分別為70安培與90安培,輸入電源範圍則為4.25v到5.5v,可滿足多數機房與高階消費性設備需求。

為了解決瞬間超載問題,TDA21570與TDA21590設計了電流鏡。之前的Power Stage是透過MOSFET內的阻抗,偵側電流電壓,不過阻抗容易受溫度、操作電壓、壽命等因素影響電流數據準確度,OptiMOS 6系列則是以同等比例級數在內部設置大小兩個MOSFET,將通過小MOSFET的電流數值乘上比例,就可得出大MOSFET的正確數據。

此作法除了可不受外在變因影響,將電流誤差率從以往的±5%提升到±3%,讓處理器接收的數值更精確外,電流鏡帶來的穩定精準電流,也有助於優化驗證工作,進而縮短產品開發期程。

另外TDA21570與TDA21590也附加了智慧報錯機制,Jerry表示,多數電源產品都會有報錯功能,在機器過溫、過壓、過電流時通知處理器,但由於處理器的電流需求大,因此會與多顆電源IC連結,當系統告知出錯時,工程師往往不知這些併聯的電源IC哪一顆出錯,英飛凌智慧報錯機制則的可明確顯示出錯IC的位置與狀況,協助工程師快速解決問題。

Jerry指出,2017年英飛凌推出上一代OptiMOS推出至今,全球銷售量已超過5億顆,穩定的品質深獲客戶信賴,OptiMOS 6系列TDA21570與TDA21590,也都奠基於此一高品質穩定製程基礎,可以充分滿足伺服器、網通設備、高階消費型電子產品的新世代電源需求,目前TDA21570已經量產,TDA21590則即將進入量產,業者可藉由這兩個新世代Power Stage,強化產品效能與可靠度,優化市場競爭力。