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以新思維迎接新商機 Vicor深入剖析智慧化電源技術

  • 李佳玲

Vicor於日前舉辦了「Vicor電源技術研討會」,現場座無虛席,吸引近300位產業先進共襄盛舉。

智慧化成為近年來IT產業最重要的趨勢,因應此趨勢,企業伺服器、工廠設備、車用系統…等多種類型IT架構都面臨的全新變革,傳統工業系統的12V電源供應設計正逐漸升級至24V、48V,乃至於380V的高功率密度,為了協助工程師解決新世代的電源設計難題,深耕高功率、高密度電源領域的Vicor於日前舉辦了「Vicor電源技術研討會」,從嵌入式高功率AC-DC設計考量、全方位DC-DC系統設計探討、最新一代AI/伺服器應用的PCB布局和散熱設計、EMI概念與疑難排除技巧等面向,深入剖析智慧時代的電源設計趨勢,除了這4大主題外,研討會也邀請了日月光副總經理張欣晴,發表精采演說。

智慧浪潮衝擊電源產業

Vicor台灣區總經理 翁鴻裕

日月光(ASE)副總經理 張欣晴

Vicor應用工程師 張仁程

Vicor應用工程師 楊有承

Vicor台灣區總經理翁鴻裕在致詞時指出,相較於IC摩爾定律每18個月所容納的電晶體數量就會翻倍的速度,電源元件的發展速度雖然緩慢,不過其腳步仍持續且堅定的往前走,此現象主因在於電源技術的難度相當高,所有的突破都需要經過多年研發,這些長時間所累積的研發能量,形成了此一產業的高門檻,而這也是電源領域中,幾乎沒有新進廠商的原因。

不過一步一腳印的電源技術,在智慧化趨勢下近年來出現了重大變革,其中台灣產業所受到的衝擊更大,因此無論是電源廠商或設備業者,都必須積極面對,方能在挑戰中找到新商機。

翁鴻裕表示,電源需求的變革出現在多個領域,其中又以資料中心、車用電子與照明系統等3大場域尤為明顯。在資料中心,近年來因AI概念興起,各種運算架構紛紛出籠,車用電子則是因應電動車所衍生出的高電源密度需求,至於照明市場則是由於固態照明漸成主流,在路燈、霓虹燈等戶外照明系統,小體積、高穩定成為重要電源的設計需求。

上述領域中對電源產生進一步需求,包括電磁元件走向扁平化、更高效能MOSFET與新材料GaN的出現、控制技術由類比走向數位、半導體元件的高整合與高效能趨勢,而從目前市場狀況來看,目前的技術難以因應這些趨勢,因此如何弭平需求與技術之間的差距,尤其是近期蔚為市場重要趨勢的48V,就成為現在各廠商必須嚴正面對的課題。

翁鴻裕以伺服器為例指出,過去傳統伺服器主要電源架構為12V,不過由於近期崛起的AI,大幅要求伺服器的運算能力,高算力需要高耗能,因此大型GPU廠商已推出了多款48V GPU卡,現在系統廠商必須解決12V伺服器與48V GPU的串接問題。為此Vicor推出了NBM 2317與DCM 3717,這兩款電源產品都可將12V架構順利橋接至48V,將大電流供應模組部署於極度靠近處理器的負載點,在不影響處力器效能原則下,大幅減少主機板的配電傳輸損耗,解決資料中心系統中,主機板與處理器的「Last Inch」問題。

無論是12V或48V,翁鴻裕指出,對設備與系統廠商而言,電源產品的採購始終聚焦效能、體積與成本等3大面向,最好的電源產品,其效能必須最大化、體積與成本則必須最小化,而在這3大面向中,成本又是廠商向來第一考量,效能居次,最後才是體積,不過此一優先順序排列是否仍適合現在趨勢?事實上從近年來市場的變化來看,廠商必須要提供更高差異化、高附加價值產品,才能掌握商機。

再由此回來看電源產品,Vicor認為廠商過去優先順序必須重新排列,尤其現在各類型設備與系統的整合度越來越高,其電源成本不能只關注單一元件,而必須從整體系統的管理與建置成本著眼。在未來的電源產品中,產品將透過高整合產生差異化,而小體積的電源元件將是產品整合的必要設計,因此體積將會是首要考量,其次則是效能,具備這兩者要件後,系統成本就可進一步優化,這也是Vicor縮小產品體積、強化效能的原因,相較於市面上同類型電源產品的效能多要求在92%,Vicor旗下產品則都在98%以上,小體積加上高效能,就可讓使用者的產品具備差異化優勢。

翁鴻裕以Vicor最近推出的DCM3717產品為例,此款產品除了具備小體積與高效能特色外,在擴充性與拓樸結構方面也有所強化。Vicor DCM3717的拓樸結構突破了過去切換頻率和效能方面必須有所權衡的做法,透過其零電壓與零電流設計,即便切換頻率增加,元件效能仍能維持一貫高效率特質。此外Vicor DCM3717 也大幅整合電路,並以3D設計方式將之建置於元件封裝內,並以Vicor專利封裝技術建構電路和結構,藉此同步提升電源元件的小體積與高功率,讓採用Vicor產品的設備與系統整設計商,擁有更強的競爭力。

除了因應市場需求,持續推出新產品外,Vicor也積極攜手各類型夥伴,藉此提供市場更高效能與整合度的產品,近期與全球封裝大廠日月光的合作就是最佳指標。翁鴻裕指出,日月光的封裝技術在半導體產業蔚居領先地位,此一預期合作方案將強化雙方在CPU與GPU等處理器的電源IC封裝領先全球業界的垂直能量傳輸技術整合。

封裝技術與時俱進

對此日月光副總經理張欣晴也指出,這次合作將大幅提升雙方在技術與產品兩端的綜效,在這次研討會中,他也以「因應電源功率需求不斷提升的人工智慧處理器」為題,發表精采演說。張欣晴指出,在智慧化浪潮下,各產業開始強化IT建置,現在多數企業都會建立自己的資料中心,以因應伴隨智慧化而來的雲端與邊緣運算要求,而資料中心的用電向來龐大,根據美國能源部調查,資料中心用電比例佔全球發電量5%,用電量將近3千億瓦,其中電源管理的影響極大,若未妥善管理,其用電量將激增至8千億瓦,而若積極改善,則可降至1千億瓦左右,也因此,電源管理已然成為資料中心建置的重要設計。

無論是CPU或GPU,近年來的算力都大幅提升,高算力產生高耗能,高耗能又產生高熱,在此同時,資料中心架構走向模組化,模組化需要高整合元件,為了兼顧效能與穩定,IC封裝時不僅所有元件體積都要縮小,散熱問題也要考慮進去,而這也成為現在電源與封裝業者的挑戰。

張欣晴進一步表示,在主機板設計中,處理器與電源IC的距離遠近對效能的影響極大,兩者距離越近,效能就越佳,因此現在的做法開始將將電源IC整合在封裝內,也就是Power-on-Package(合封電源技術)。對於Power-on-Package,Vicor已有設計完整的產品,與會的Vicor應用工程師Joseph Aguilar就指出,Vicor正研發電源元件的垂直堆疊技術,此技術不但可透過降壓供應更大電流,同時也因電源與處理器距離的拉近,減少電力傳輸損耗。至於在封裝產業,也有各種方式解決功耗與效能的問題,像是2.5D或3D的垂直組態就是常見作法。

整體來說,因應智慧化與AI所帶來的高運算趨勢,Power-on-Package已然成為資料中心電源設計的重要技術,不過要達到效能與供電需求是極大挑戰,因此產業鏈中不同環節的廠商必須交流技術,日月光與Vicor的合作就是最佳案例,張欣晴認為,雙方的緊密互動將可大幅提升產品效能與穩定性,提供資料中心業者更完美的電源解決方案。

從實務面解決電源設計困境

除了電源IC趨勢與封裝技術之外,Vicor的應用工程師張仁程、楊有承也由技術面出發,深入剖析電源系統的設計要點。張仁程在「嵌入式高功率AC-DC設計考量」與「電源工程師必備EMI概念與疑難排除技巧」為題,講解面對嵌入式的高功率電源需求時,所必須建立的25個流程步驟,並以過去經驗所建立的專業知識,為工程師解答EMI疑難。楊有承先在「提升系統效能-全方位DC-DC系統設計探討」演講中,解析DC-DC模組、系統整合與支援電路等兩個面向的設計重點,另一場「高密度電源系統的PCB布局和散熱設計」則最新一代AI/伺服器應用為例,討論如何降低PCB的功率傳輸阻抗與損耗。

透過趨勢與技術發展的精闢解析,這次「Vicor電源技術研討會」成為台灣產業少見的電源技術盛會,翁鴻裕最後指出,Vicor是目前產業中唯一專注於48V電源技術的公司,在過去38年的研發基礎下,其功率模組在效能與密度方面都領先業界,尤其是從前端到負載點的各種模組化產品,更提供了設備與系統業者完整解決方案。近年來Vicor仍持續強化高功率模組的密度、效能與功率輸出等技術研發,並將鎖定資料中心、汽車、工業、國防與航太等領域,協助客戶打造出高競爭力產品。