瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心加速卡，MPS推出多款全集成電源模塊

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2022-03-10 13:48:44 0

“過去幾年，大數(shù)據(jù)與人工智能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，激發(fā)了一大批基于大數(shù)據(jù)與人工智能的應(yīng)用，如機(jī)器學(xué)習(xí)、圖片識(shí)別、信號(hào)處理，仿真引擎等等。這些應(yīng)用的出現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心以及云計(jì)算相關(guān)的基礎(chǔ)架構(gòu)提出了更高的要求，因?yàn)檫@些新的應(yīng)用會(huì)提出超級(jí)大的數(shù)據(jù)量需求。”5月14日，在MPS新品發(fā)布會(huì)上，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理?xiàng)詈阒赋觯皞鹘y(tǒng)的基于 CPU 的軟件的處理和加速，已經(jīng)無法滿足新型基于人工智能和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，所以出現(xiàn)了很多基于GPU、FPGA，ASIC 等這種加速芯片的加速硬件。加速芯片可以提供不少于20倍的加速能力，現(xiàn)在越來越多的數(shù)據(jù)中心會(huì)應(yīng)用基于加速芯片的硬件加速卡，這些加速卡基本上分為三類：計(jì)算加速；存儲(chǔ)加速；通訊加速。基本上在數(shù)據(jù)處理的整個(gè)環(huán)節(jié)都有加速的應(yīng)用。各大加速芯片制造商也推出了各種基于他們自家芯片的硬件加速卡。如賽靈思就推出了ALVEO系列，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的各個(gè)領(lǐng)域，他們還會(huì)推出應(yīng)用在不同領(lǐng)域的加速卡如通信類、金融類等等。隨著加速卡的越來越廣泛應(yīng)用，也給電源設(shè)計(jì)方案提出了更多的挑戰(zhàn)！” 4ab3a2f78d51e648b679208ab1addd7c

加速硬件電源方案四大趨勢(shì) 0c96755964396b72c08f23700b0910b3

他表示加速硬件對(duì)于電源方案需求趨勢(shì)可以總結(jié)為四點(diǎn)：
1、迅捷、高效、集成化、可拓展。那么其中迅捷就包括了兩點(diǎn)：*個(gè)是說電源解決方案需要有更高的響應(yīng)速度以適應(yīng)更大的動(dòng)態(tài)跳變，同時(shí)整個(gè)電源的解決方案的開發(fā)的速度應(yīng)該非常快以適應(yīng)更短的加速硬件的研發(fā)周期。 2、高效率解決解決方案---即電源方案商需要提供高效率的解決方案，以應(yīng)對(duì)更加緊湊的硬件設(shè)計(jì)。 3、集成化---由于加速卡的設(shè)計(jì)非常的緊湊，意味著它的密度會(huì)越來越高，就需要廠商提供全集成的模塊化設(shè)計(jì)，這種集成化的模設(shè)計(jì)就可以極大程度地減少在客戶板上的占板面積。這樣客戶就有更多的板面積可以用作其他的功能，比如說內(nèi)存、HBM（High‐bandwidth Memory ）等，此外，集成化模塊還要提供多路輸出電源，就是在同一個(gè)封裝內(nèi)加入多個(gè)輸出，這種多路輸出會(huì)靈活地匹配日趨復(fù)雜，集成度更高的加速芯片。 4、可拓展--可拓展的電源方案可以更靈活搭配多種加速環(huán)境和應(yīng)用，因?yàn)閿?shù)據(jù)和人工智能是在一個(gè)加速發(fā)展過程中，在這種過程當(dāng)中會(huì)涌現(xiàn)出一批之前完全沒有出現(xiàn)過的應(yīng)用，所以說電源解決方案需要足夠靈活，可以迅速地適配這種全新的之前沒有出現(xiàn)過的應(yīng)用。

加速芯片供電架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì) 95d002854f7287cf06a25b4500071c0c

另外，加速芯片的供電架構(gòu)也在發(fā)生變化，由于加速硬件在人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，所以各大加速芯片廠家也都紛紛用更先進(jìn)的工藝推出了集成度更高的加速芯片。就以FPGA為例，幾年前看到的FPGA的工藝制程是28nm，然后他們迅速推廣到了16nm，現(xiàn)在*新一代的專門針對(duì)加速卡市場推出的加速芯片，已經(jīng)用到了*先進(jìn)的7nm制程。這種更先進(jìn)的制程就可以使它在同樣的尺寸內(nèi)加入更多的邏輯單元，同時(shí)由于加入了更多的邏輯單元，會(huì)使芯片的整體功率越來越大。另外，由于更先進(jìn)制程的使用，對(duì)于內(nèi)核電壓
的要求則越來越低。同時(shí)由于加速芯片廠商為了提供更復(fù)雜功能的加速芯片，提供更完善的功能給他們的客戶應(yīng)用在加速卡的場景當(dāng)中，在應(yīng)用更先進(jìn)的工藝的同時(shí)，他們也集成了更多的功能單元，如除了加速邏輯單元以外，他們會(huì)集成RM處理器以及DSP。然后他們還會(huì)加入這種專門優(yōu)化過的加速引擎。那么這種越來越高的集成化就會(huì)造成針對(duì)加速芯片的電源解決方案會(huì)越來越復(fù)雜，就是它需要不同電壓、不同路的多路的輸入，就是電壓軌會(huì)越來越多。然后還有一個(gè)趨勢(shì)就是由于各種各樣不同的加速應(yīng)用，為了應(yīng)對(duì)這些不同的加速的應(yīng)用，首先這些加速芯片的廠商會(huì)在同一個(gè)系列下的芯片，它會(huì)針對(duì)不同的應(yīng)用做出不同的優(yōu)化，這種優(yōu)化就會(huì)造成加速芯片的電壓軌和輸入的電流各不相同（和應(yīng)用是相關(guān)的）；另外一點(diǎn)，即便是同一款加速芯片，它在不同應(yīng)用場合使用到的內(nèi)部的邏輯資源也是不同的，比方說在某一些應(yīng)用，同一款加速芯片可能會(huì)占用到內(nèi)部80%的資源，那么它對(duì)核供電的電流的要求就基本要求100%，比方說它的滿載是120A，那么它可能就需要用到120A。那么在另外一些場合，對(duì)于這種加速芯片的邏輯單元就不那么高，那么可能會(huì)用到50%的邏輯芯片，那么這樣對(duì)于核供電的電流要求也會(huì)下降，比方說120A的滿載，它可能會(huì)用到50A，60A。所以說，隨著應(yīng)用的不同，電源解決方案的電壓軌的數(shù)量，還有電流也是個(gè)各不相同的。他表示另外一個(gè)趨勢(shì)就是：大動(dòng)態(tài)，這種大動(dòng)態(tài)是隨著應(yīng)用調(diào)用資源相關(guān)的。如下圖所示： 249271c285886a88e9b999cbcef7617a

這是一個(gè)典型的加速芯片對(duì)于輸入電流和輸入電壓的要求和波形。典型的輸入電壓是0.72V，它需要的滿載電流是180A。為了滿足這個(gè)應(yīng)用環(huán)境當(dāng)中對(duì)于資源的調(diào)用，就要求負(fù)載跳變需要 0A-100A, 這是一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)，這里說的0-100A是步長；同時(shí)呢，它的di/dt（上升沿）也是一個(gè)非常快的速率，因?yàn)檫@個(gè)速率取決于邏輯單元調(diào)用（打開）的速率，假如說它從時(shí)間點(diǎn)1到時(shí) 間點(diǎn)2，迅速從這個(gè)資源要增加邏輯門資源的調(diào)用，那么它的Slew Rate就非常得快，所以就造成了FPGA這種內(nèi)核供電對(duì)大動(dòng)態(tài)的要求。在這種大動(dòng)態(tài)電流要求的背景下，輸出電壓還要不能出現(xiàn)太大的波動(dòng)，典型的峰峰值應(yīng)該要求的是<+/-3%。

“為了滿足這種要求，我們MPS的產(chǎn)品使用了基于COT的控制架構(gòu)，在這種多相并聯(lián)的應(yīng)用下我們使用的是Multi-Phase，就是多相的COT，它可以在這種大動(dòng)態(tài)的環(huán)境下去實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，所以在這種應(yīng)用環(huán)境下是非常有優(yōu)勢(shì)的。”他強(qiáng)調(diào)。關(guān)于上文提到的電源迅捷趨勢(shì)他指出對(duì)于電源的研發(fā)周期需要盡可能的短，由于不同加速應(yīng)用越來越多，很大程度上，這種加速卡是基于應(yīng)用來優(yōu)化和設(shè)計(jì)的，假如說加速卡廠家不能及時(shí)地推出新設(shè)計(jì)，那么它就有可能錯(cuò)過某一個(gè)應(yīng)用，所以這就對(duì)加速卡廠商研發(fā)的時(shí)間提出了非常高的要求。 08f96272c12bb2da1ee9236f925f72a9

而電源產(chǎn)品在這個(gè)加速卡研發(fā)過程中實(shí)際上是占有時(shí)間較多，對(duì)于傳統(tǒng)的分立電源解決方案，要從選型和采購開始，就需要挑選各種器件，包括芯片，包括產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)芯片還有功率管，還需要需要根據(jù)不同的電感/電容選擇合適的環(huán)路補(bǔ)償，這非常耗時(shí)。而且原理圖和布局設(shè)計(jì)也是比較復(fù)雜，同時(shí)由于有比較復(fù)雜的PCB源布線和原理圖，那么就會(huì)有可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)多次制板的驗(yàn)證。 6383ba99db591f1888388d2d56cbed8e

“我們電源模塊的解決方案呢，極大地縮短了這種加速硬件的開發(fā)周期。大家可以看到，我們可以在1周內(nèi)把選型、采購還有原理圖設(shè)計(jì)在2周內(nèi)全部都完成，然后去制板和組裝。這個(gè)是由于我們的電源模塊做了高程度的集成和優(yōu)化，那么客戶上板以后就不需要再做額外的優(yōu)化采購的動(dòng)作，也大大地簡化了它的原理圖和PCB布線。所以說可以把開發(fā)周期極大地縮短。”他指出。“這對(duì)于加速廠商來講，是非常重要的去應(yīng)對(duì)新的加速應(yīng)用的環(huán)境。” MPS針對(duì)加速卡推出的大電流電源模塊 基于這樣的趨勢(shì)，MPS推出了瞄準(zhǔn)加速卡應(yīng)用的電源模塊，以MPM3695-100 大電流可拓展模塊為例，它的主要特點(diǎn)是支持4V-16V 輸入; 0.5V-3.3V 輸出，它可以支持*大 100A 的輸出電流。該解決方案非常緊湊。把功率管控制IC，以及一些被動(dòng)元件電感電阻全都集成在15x30mmBGA封裝中，外圍器件很少。
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其效率也是很高，在典型的12V 輸入, 1V 輸出下，*高效率可達(dá)90% ，同時(shí)它還可以拓展，通過簡單的信號(hào)線互聯(lián)，可以從一個(gè)100A的解決方案拓展到 800A，這對(duì)于加速卡應(yīng)用來講是非常友好的。
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“從PCB布板的角度來講，可以看到左邊是MPM3695-100它的典型的Layout，它是采用BGA封裝的，我們的輸入的BGA焊球和輸出的BGA焊球位置都是經(jīng)過優(yōu)化的，信號(hào)線位置都放在旁邊，所以說對(duì)客戶的Layout是非常友好的。它可以非常簡單地?cái)U(kuò)展到800A的解決方案，右邊這個(gè)圖展示的就是一個(gè)800A解決方案的Demo板，上面用了是8顆MPM3695-100的模塊。”他進(jìn)一步解釋說。

據(jù)他介紹，該產(chǎn)品另外一個(gè)非常顯著的優(yōu)勢(shì)就是它的超高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，基于 Constant‐on‐Time在動(dòng)態(tài)的時(shí)候可以針對(duì)時(shí)鐘的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，它可以極大地增加動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減少輸出電容的尺寸和數(shù)量。在高集成化方面，與分立方案相比它可以*多降低70%的占板面積，同時(shí)它還是一個(gè)數(shù)字模塊，有數(shù)字可編程功能，有MTP，客戶可以優(yōu)化它們的配置，MPS還可以提供提前編程好的模塊再出貨給客戶。

MPS推出的MPM82504則是業(yè)界*四路25A可拓展的電源模塊。它跟3695-100是一樣的，支持4V-16V 輸入; 0.5V-3.3V 輸出；其*大優(yōu)勢(shì)是這個(gè)模塊提供了四路 25A 的輸出電流，并且可以任意并聯(lián)，任意并聯(lián)指的是四路之間可以并聯(lián)，同時(shí)模塊與模塊之間也可以并聯(lián)，這種靈活的解決方案就非常好地適應(yīng)了高速發(fā)展的加速卡應(yīng)用的環(huán)境，可以非常快地適應(yīng)不同的應(yīng)用，同時(shí)可以通過片間并聯(lián)來達(dá)到和MPM3695-100一樣的*多 800A的輸出電流。 a81c79b2973cd4498ceb5cda9bfe4715

從上圖看它可以提供4路 25A的輸出電流，同時(shí)它可以并聯(lián)2路形成50A和2路25A的應(yīng)用，還同時(shí)可以并聯(lián)3 路形成75A+25A，*后假如電流更大的話，我們可以并聯(lián)4路形成100A的解決方案，同時(shí)通過片間的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)更多電流更靈活輸出的解決方案，所以說這種可任意并聯(lián)可拓展的電源模塊可以非常靈活地匹配不同加速芯片對(duì)于不同輸入電壓軌的要求。

“我們可以使用同一個(gè)設(shè)計(jì)，把設(shè)計(jì)應(yīng)用在不同的加速卡上面，可以快速地去升級(jí)不同的應(yīng)用，所以這個(gè)也是進(jìn)一步靈活地去匹配這個(gè)加速卡硬件廠商對(duì) 于不同場景的應(yīng)用。”楊恒指出，“它的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是通過這種高集成化多路輸出的電源模塊，可以極大改善客戶在加速硬件板卡上的占板面積。可以看下首先右邊是一個(gè)典型的加速芯片的電源架構(gòu)，那么它一共需要8路輸入電源，那么這8路的輸入電源假如使用分立的方案，我至少需要6個(gè)分立的解決方案，因?yàn)檫@3個(gè)0.85V是可以并聯(lián)在一起的，我需要至少使用6路不同的電源解決的IC。那么使用82504，我們可以通過高集成多路輸出的電源模塊把它8路輸入的電壓軌集成在2個(gè)模塊當(dāng)中。” 4d9a50918b37adc404e5e5f65bbbe3c7

可以看一下左邊這個(gè)圖，上面是分立的解決方案，需要占很大的占板空間，下面這個(gè)圖是應(yīng)用82504的示意圖，可以看到通過這種高集成性，可以把之前很大的占板空間縮小到2個(gè)82504的尺寸，這樣就幫客戶進(jìn)一步降低了占板面積。 bf54dc9b9ded285a5943f015a046ec5d

他表示這種多路輸出在加速卡應(yīng)用的場景非常有優(yōu)勢(shì)，客戶接受度非常高，一因此MPS同步推出了多款多路輸出的電源模塊。在多路輸出的電源模塊的系列當(dāng)中，分為雙路輸出和四路輸出，雙路輸出推出了3款產(chǎn)品：3690-20A、3690-30A還有3690-50A，這3個(gè)產(chǎn)品是Pin-to-Pin 的，分別提供了雙路13A、雙路18A和雙路25A的輸出能力。右邊是4路輸出的電源模塊，我們這回3款新品，電流從低到高是MPM54504是四路5A的電源模塊，MPM81204這個(gè)電源模塊是雙路12A+雙路5A；MPM82504是4路25A。 4a947083b0ccdc740da1dc873a5b5135

他表示MPS未來還會(huì)推出多種電源模塊，去覆蓋更廣的應(yīng)用環(huán)境。上圖展示了MPS所有*新一代的電源模塊。從低壓到中壓到高壓都有覆蓋，在電流的輸出上從*低的0.6A和1.2A的輸出能力，一路到100A，通過100A并聯(lián)模塊可*多支持800A的輸出！（完）

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