48 V güç dağıtım performansını iyileştirin
48 V güç dağıtım performansını iyileştirin
Tarih: 2020-03-03
Yazar: Phil Davies
Kaynak: Vicor Corporation
Güç dağıtım ağı (PDN), tüm güç sistemlerinin bel kemiğidir. Sistem gücüne olan talep artmaya devam ederken, geleneksel PDN'ler yeterli performans sağlamak için muazzam bir baskı altındadır. Güç tüketimi ve termal yönetim için, PDN'nin güç sisteminin performansı üzerindeki etkisini iyileştirmenin iki ana yolu vardır. Biri, PDN direncini azaltmak için daha büyük kablolar, konektörler ve daha kalın bir ana kart güç katmanı kullanmaktır; diğeri, belirli bir iletim gücündeki akımı azaltmak için PDN voltajını artırmaktır, bu da daha küçük kabloların, konektörlerin ve İlgili boyutu, maliyeti ve ağırlığı azaltabilen daha ince anakart bakır folyo güç katmanı.
Mühendisler, onlarca yıldır tek fazlı AC ve 12V DC-DC dönüştürücüler ve regülatörler için oluşturulmuş büyük ekosistem ile uyumlu olduğu için, uzun yıllar ilk yöntemi kullandılar. Diğer nedenler arasında yetersiz DC-DC dönüştürücü topoloji performansı, daha yüksek voltajların doğrudan yük noktası (PoL) voltajlarına verimli bir şekilde dönüştürülememesi ve bu yüksek voltaj dönüştürücüleri ve regülatörlerinin ilgili maliyetleri sayılabilir.
Bununla birlikte, modern güç kaynağı tasarımları, PDN voltajını artırmak için ikinci yöntemi giderek daha fazla kullanır. Bu eğilimin itici gücü, sistem yük gücündeki önemli artıştan geliyor. Veri merkezini örnek olarak ele alalım: Yapay zeka (AI), makine öğrenimi ve derin öğrenmenin eklenmesi raf gücünü 20kW aralığına hızlı bir şekilde ikiye katlarken, süper bilgisayar sunucu rafları 100kW veya üstüne yaklaştı.
İdeal yük noktası güç sistemi. Regülatör, Vin = Vout olduğunda en yüksek verimliliği sağlar. Verimlilik, yüksek akımlı güç kaynağı yük noktasına en yakın olduğunda en yüksek seviyededir ve böylece I2R kaybını en aza indirir.
Güç talebindeki bu artış, sistem mühendislerinin raftan raf güç dağıtımına kadar tüm PDN'lerini ve hatta sunucu blade'lerinde istisnasız PDN'lerini yeniden değerlendirmelerini sağladı, çünkü modern CPU'lar ve AI işlemcileri daha fazla güç tüketiyor. Büyük. Raf gücü 5kW olduğunda, rafa tek fazlı AC normaldir. Ardından AC'yi 12V'a dönüştürün ve sunucu blade'lerine dağıtın. Güç 5kW olduğunda PDN akımı 416A (5kW / 12V) olur ve güç dağıtımı çok sayıda kablo üzerinden yapılır.
İşlemci gücü 2015'ten beri keskin bir şekilde arttı, bu nedenle raf güç kaynağı 12kW'a yükseldi. Bu nedenle, 1kA akımının 12V PDN rafında yönetilmesi gerekir. OCP (Açık Hesaplama Projesi) ittifak üyeleri, çoğunlukla bulut bilişim, sunucu ve CPU şirketlerinden oluşuyor ve birlik 12V raf tasarımını geliştirmeye devam edecek. OCP rafı, kablodan veri yolu çubuğuna aktarılır ve çoklu tek fazlı AC'den 12V'a dönüştürücüler, raftan sunucu kanadına PDN mesafesini ve empedansı en aza indirmek için rafa dağıtılır. Önceki raf güç kaynağından temel farkı, raftan beslenen tek fazlı AC gücünün, üç fazın tek fazlı olmasıydı.
Kendi raf ve veri merkezi çözümlerini oluşturabilen şirketler, 48V güç dağıtımına geçmeye başlıyor. Bu strateji, 12kW rafın yüksek akım PDN sorununu 250A'ya düşürür, ancak blade sunucuların güç dönüşümüne yeni zorluklar getirir.
Büyük akımların "son inç" ten iletilmesi, yüksek güçlü işlemciler için bir engel oluşturur. Vicor teknolojisi sadece bu performansı iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda anakart tasarımını da basitleştirir.
Raf gücü 20kW aralığını aştığında, sunucu rafı PDN tasarımı gelişmeye devam edecektir. Orijinal 12V sistemin statükosunu korumak için insanların birçok yönden yenilik yapması gerekir.Ancak, AI işlemcisinin veri merkezindeki kararlı durum akımı 1000 amper'i aştığında ve tepe akımı 2000 amper'e yakın olduğunda, geleneksel PDN'yi kesilmez hale getirecektir gerçek. AI'nın özü performanstır ve 12V PDN, performansı ve rekabeti sınırlayacaktır.
OCP Alliance, yüksek güçlü rafların birçok sorununu çözmek için 48V PDN'yi barındırabilen bir raf geliştiriyor. 12V güç dağıtımından 48V'a geçiş, giriş akımı talebini 4 kat azaltabilir (P = V × I) ve kayıpları 16 kat (güç tüketimi = I2R) keskin bir şekilde azaltabilir. Ayrıca otomotiv, 5G, LED aydınlatma ve teşhir pazarları ve endüstriyel uygulamalar da 48V güç dağıtımına geçiyor. Bu nedenle, 48V güç dönüştürücü ekosistemi hızla gelişiyor ve 48V'a geçiş iyi bir ticari öneme sahip. Ancak 48V dönüştürücü topolojilerinin ve mimarilerinin tümü aynı değildir. 48V konvertör pazarı eşit olmayan performansa sahiptir ve bu, dikkatli bir değerlendirmeyi hak eden pratik bir durumdur.
Yüksek performans ve güç verimliliği, yüksek güçlü raf ve veri merkezi gereksinimleri listesinin en başında yer aldığından, birçok şirket gücü sunucu blade'lerine dağıtmak için üç fazlı AC'den 48V'a kadar kullanıyor. Ayrıca rafa dağıtılan yüksek gerilimli DC (380V, rektifiye edilmiş üç fazlı girişten türetilmiştir) da kullanılabilir. Birçok yüksek performanslı bilgi işlem şirketi, 100kW'a kadar güce sahip raflar için HVDC PDN kullanıyor.
Sunucu blade'ine güç veren PDN, 48V'a dönüştürüldüğünde, blade'deki güç dönüşümü de değiştirilmelidir. Bu değişim, DC-DC dönüştürücüler ve düzenleyiciler için mimari, topoloji ve paketlemede çok sayıda seçeneğe yol açtı.
48V modu, veri merkezi sunucuları için hala yenidir, ancak yönlendiriciler ve ağ anahtarları gibi iletişim uygulamalarında çok popülerdir, çünkü şarj edilebilir bir 48V kurşun-asit yedek pil sistemi kullanırlar. Veri merkezi sunucularında daha önce kullanılan genel mimariye Intermediate Bus Architecture veya IBA denir. IBA, -48V'yi + 12V'a dönüştüren ve yük noktası için bir dizi çok fazlı buck regülatörüne sağlayan, yalıtılmış, düzenlenmemiş bir veri yolu dönüştürücü içerir. Bazı bulut bilişim şirketleri ve HPC şirketleri başlangıçta bu mimariyi 48V sistemleri için kopyaladılar, ancak güç arttığında ve PoL voltajı 1V'nin altına düştüğünde, tasarımcılar alternatif mimariler ve topolojiler aramaya başladı.
Güç sistemi mimarisi, anahtarlama topolojisi ve paketleme, yüksek performanslı ve yüksek yoğunluklu tasarım için çok önemlidir. AI ve CPU işlemci akımının artmasıyla birlikte regülatör ile PoL arasındaki PDN direncinin etkisiyle PoL'deki güç aktarım devresinin yoğunluğu yapay zeka uygulamalarında en kritik unsur haline geldi.
En son endüstri lideri AI işlemcisi, 1.5kA ila 2kA tepe akımı ile yaklaşık 1kA sabit durum akımına sahiptir. İşlemcinin geleneksel çok fazlı buck regülatör çıkışının tipik PDN direncinin 200 ile 400 µ arasında olduğu düşünüldüğünde, ortaya çıkan PCB güç tüketimi sabittir (P = I2R) 200-400W. Üstesinden gelinemeyecek kadar yüksek.
PDN kayıpları, DC-DC regülatörlerinin tasarım verimliliği ve performansında baskın faktör haline gelmiştir. Bu bir yük noktası sorunudur ve voltajı artırmak pratik değildir (PoL voltajı Moore Yasasının geçerliliğini korumak için hızla düşmektedir), bu nedenle tek uygulanabilir yol PDN direncini azaltmak ve regülatörü işlemciye mümkün olduğunca yakın yerleştirmektir. Çok fazlı bir buck regülatör durumunda, AI işlemcinin yüksek akımını desteklemek için genellikle 16-24 faz gerekir. Bu, yüksek akım yoğunluğu çözümü değildir ve PDN güç tüketimi sorununu çözemez.
Kesirli güç mimarisi
IBA'ya bir alternatif, önceden ayarlanmış bir aşama (PRM) ve onu takip eden bir transformatör aşaması (VTM) içeren Vicor'un fraksiyonel güç mimarisidir (FPA). Bu tescilli mimari, her aşamanın performansını optimize eder. PRM, yalıtımsız (48V, bir güvenlik ultra düşük voltaj SELV'dir) voltaj regülasyonu gerçekleştirir. 48V girişi sıkı bir şekilde düzenlenir ve 48V çıkış sağlayabilir.Gerekli PoL voltajı, çıkış voltajı giriş voltajının sabit bir oranı olan sabit oranlı bir dönüştürücü olan VTM'ye dönüştürülür.
MCM modülü yüksek akım sağlayabilir ve ana kartta veya işlemci alt tabakasında işlemcinin yanına yerleştirilebilir. Bu kısa mesafeli düzenleme yalnızca PDN kayıplarını en aza indirmekle kalmaz, aynı zamanda güç kaynakları için gereken işlemci alt tabakası BGA pinlerini de azaltır.
Bu mimari ve performansı, PRM ve VTM'de kullanılan tescilli topolojilerle geliştirilebilir. PRM, sıfır gerilim anahtarlama topolojisi kullanırken, VTM tescilli bir rezonant yüksek frekanslı sinüzoidal genlik dönüştürücü (SAC) topolojisi kullanır. PoL gerilimine dönüştürmek için sıfır gerilim ve sıfır akım anahtarlaması kullanılabilir. VTM aslında bir DC-DC transformatörüdür.Gerilim 1 / K oranında azalır ve akım K faktörü kadar artar. VTM aynı zamanda yüksek akım yoğunluklu PoL dönüştürücü olan akım çarpanı olarak da adlandırılır. (Yeni ürün şu anda 2A / mm2'ye ulaşabilir.) Yenilikçi ChiP paketleme teknolojisi kullandığı ve yüksek yoğunluklu entegre manyetik bileşenleri desteklediği için işlemcinin yanına yerleştirilebilir.
Bu yüksek akım yoğunluğu seviyesi tasarımcılara büyük esneklik sağlar. Mühendisler, işlemci akımına bağlı olarak yatay güç kaynağı veya dikey güç kaynağı (LPD ve VPD) arasında seçim yapabilirler. LPD'de akım çarpanı, aynı alt tabaka üzerinde veya doğrudan ana kart üzerinde olabilen AI işlemcinin birkaç milimetresi içinde düzenlenir ve böylece PDN direncini yaklaşık 50µ'a düşürür.
Dikey güç kaynağı (VPD), güç dağıtım kaybını ve VR PCB kartı alanı işgalini daha da ortadan kaldırabilir. VPD, bypass kapasitörünün akım çarpanına veya GCM modülüne entegre olması açısından Vicor LPD çözümüne benzer.
Performansı daha da iyileştirmek için VPD, mevcut çarpanı doğrudan işlemcinin altına taşıdı; burada çıkış gücü pini bit eşlemi, üzerindeki işlemci güç piminin aralığı ve konumu ile çok tutarlıdır. Ek olarak, mevcut çarpan paketi, genellikle doğrudan anakart veya alt tabaka üzerinde işlemcinin altında bulunan yüksek frekanslı büyük kapasiteli kapasitörleri de entegre eder. Bu tip akım çarpanı, dişli tahrik akımı çarpanı (GCM) olarak adlandırılır. VPD, PDN direncini inanılmaz bir 5 ila 7 µ değerine düşürebilir ve bu da yapay zeka işlemcilerin gerçek performanslarına ulaşmalarına yardımcı olabilir.
Böylesine karmaşık bir güç kaynağı problemi için, genel bir tasarım yöntemi başarılı yüksek performanslı sonuçlar sağlayabilir. En zor güç sorunlarını çözmek için yenilikçi mimari, topoloji ve paketleme gereklidir. PDN'nin voltajını artırmak, çok sayıda sistem performansı sorununu çözebilir. PDN direncini azaltmak, yeni nesil HPC güç kaynaklarının kapısını açmanın ve yapay zekanın vaadini yerine getirmenin anahtarıdır.
Referans: Vicor resmi web sitesi
Telif hakkı bildirimi: Özel olarak belirtilen orijinal makalelere ek olarak, bu sitenin içeriği sadece daha fazla bilgi vermek içindir ve bu sitenin görüşlerini kabul ettiği anlamına gelmez. Yeniden basılmış tüm makalelerin, resimlerin, ses / video dosyalarının ve diğer materyallerin telif hakkı telif hakkı sahibine aittir. Bu sitede kullanılan orijinal olmayan yazıların ve resimlerin içeriği ile telif hakkının doğrulanması için tek tek iletişime geçilemez. Çalışmanın içeriği, telif hakkı ve diğer konular söz konusuysa, lütfen bize e-posta veya telefon yoluyla zamanında bildirin, böylece her iki taraf için de gereksiz ekonomik kayıpları önlemek için hızlı bir şekilde uygun önlemleri alabiliriz. İletişim numarası: 010-82306116; e-posta: aet@chinaaet.com.
