云計(jì)算對(duì)電源模塊帶來哪些挑戰(zhàn)？MPS大電流、多路輸出模塊來助力

1 云計(jì)算與AI對(duì)硬件加速的需求越來越大

過去幾年，大數(shù)據(jù)與人工智能（AI）高速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量應(yīng)用，諸如機(jī)器學(xué)習(xí)，圖片識(shí)別，信號(hào)處理，仿真引擎等。這對(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，傳統(tǒng)的基于CPU的軟件處理和加速已無法滿足需求。

傳統(tǒng)的CPU架構(gòu)是串行的處理架構(gòu)，限制了高帶寬、大數(shù)據(jù)量的處理需求。為此出現(xiàn)了基于GPU、FPGA、ASIC等加速芯片的加速硬件，它們能并行處理數(shù)據(jù)，極大地提升了效率。例如對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算，例如矩陣類的數(shù)據(jù)計(jì)算，加速芯片可以提供不少于20倍的加速能力。 

目前的加速主要分為三類：計(jì)算加速、存儲(chǔ)加速、通訊加速，基本涵蓋了數(shù)據(jù)處理的各個(gè)環(huán)節(jié)。各大加速芯片的制造商也推出了基于自家芯片的硬件加速卡，例如賽靈思推出了ALVEO系列，用于數(shù)據(jù)中心，還有通信用TESLA系列的加速卡。

這些加速卡給相配套的電源設(shè)計(jì)方案提出了諸多挑戰(zhàn)。

2 加速硬件用電源的趨勢(shì)   

主要有四個(gè)：迅捷、高效、集成化、可拓展。

·迅捷。包括兩方面：①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，②電源解決方案的開發(fā)速度非常快，以適應(yīng)更短的加速硬件的研發(fā)周期。

·高效。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)。

·集成化。體現(xiàn)在兩方面。①減少占板面積。因?yàn)榧铀倏ǖ脑O(shè)計(jì)非常緊湊，也需要匹配全集成的模塊——需要集成電源管理晶圓、功率管，以及電感、電容、電阻等被動(dòng)元件。這樣客戶會(huì)有更多的板面積用于其他功能，例如內(nèi)存/HBM（High‐bandwidth Memory）等。②需要多路輸出的電源，即在同一封裝內(nèi)加入多個(gè)輸出，以靈活匹配日趨復(fù)雜、集成度更高的加速芯片。

·可拓展。可以靈活搭配多種加速環(huán)境和應(yīng)用。因?yàn)榇髷?shù)據(jù)和AI發(fā)展很快，正不斷涌現(xiàn)之前完全沒出現(xiàn)過的應(yīng)用，所以電源解決方案需要足夠靈活，以便迅速適合全新的應(yīng)用。 

3 加速芯片所需的供電架構(gòu)

主要是五方面：和電壓降低，多路輸入，電流隨應(yīng)用變化，大動(dòng)態(tài)，開發(fā)迅捷。

1）核電壓降低。由于加速硬件在AI和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，所以各大加速芯片廠家也紛紛推出先進(jìn)工藝的加速芯片。以FPGA為例，加速芯片已達(dá)最先進(jìn)的7nm制程，以在同樣的尺寸內(nèi)集成更多的邏輯單元。不過，由于邏輯單元的密度越來越高，會(huì)使芯片的整體功率越來越大。另外，由于采用更先進(jìn)的制程，核電壓越來越低。

2）多路輸入。加速芯片除了集成了更多的邏輯單元外，還會(huì)集成Arm處理器、DSP、優(yōu)化的加速引擎等，這種越來越高的集成化也會(huì)造成針對(duì)加速芯片的電源的解決方案越來越復(fù)雜，需要不同的電壓、不同路的多路輸入，即電壓軌越來越多。

3）電流隨應(yīng)用變化。隨著應(yīng)用的不同，電源解決方案的電壓軌的數(shù)量，還有電流也是不同的。①加速芯片的廠商會(huì)在同一系列下的芯片，會(huì)針對(duì)不同的應(yīng)用做優(yōu)化，這會(huì)造成加速芯片的電壓軌和輸入的電流各不相同；②即便是同一款加速芯片，在不同應(yīng)用場(chǎng)合所用到的內(nèi)部的邏輯資源也是不同的，例如對(duì)于某些應(yīng)用，同一款加速芯片可能會(huì)占用內(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%。如果它的滿載是120A，可能就需要用到120A。在另一些場(chǎng)合，可能用到50%的邏輯芯片，因此對(duì)核供電的電流要求會(huì)下降，例如120A的滿載，可能會(huì)用到50A、60A。

4）大動(dòng)態(tài)。下圖是一個(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，所需的滿載電流是180A。為了滿足這種應(yīng)用環(huán)境對(duì)資源的調(diào)用，就要求負(fù)載跳變需要 0~ 100A（步長），這是一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)；同時(shí)，會(huì)要求di/dt（上升沿）也是很快的變化速率，這就造成了FPGA這種核供電對(duì)大動(dòng)態(tài)的要求。然而，在這種大動(dòng)態(tài)電流要求的背景下，輸出電壓并不能出現(xiàn)太大的波動(dòng)，典型的峰-峰值要求是<±3%。

5）開發(fā)迅捷。指電源的研發(fā)周期需要盡可能短。電源模塊可極大縮短這種加速硬件的開發(fā)周期，例如MPS公司的電源模塊可以在2周內(nèi)把選型、采購還有原理圖設(shè)計(jì)完成，然后在1~3周內(nèi)去制板和組裝。由于MPS的電源模塊做了高度集成和優(yōu)化，客戶上板以后就不需要再做額外的優(yōu)化采購的動(dòng)作，不僅簡(jiǎn)化了原理圖和PCB 布線，還可以把開發(fā)周期極大地縮短。

模塊電源在現(xiàn)在芯片缺貨現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下更有意義。因?yàn)椴捎梅至⑵骷桨福蛻粜枰鄠€(gè)供應(yīng)商打交道，一個(gè)環(huán)節(jié)出問題都會(huì)影響進(jìn)程。采用模塊后，現(xiàn)在只和一家模塊供應(yīng)商聯(lián)絡(luò)即可。

4 MPS的大電流電源模塊

深耕電源模塊多年的MPS公司的產(chǎn)品符合上文提到的特點(diǎn)。MPS有很多適合各種應(yīng)用場(chǎng)景的模塊產(chǎn)品。近日，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理?xiàng)詈悴┦肯螂娮赢a(chǎn)品世界記者介紹了大電流模塊系列新產(chǎn)品、MPS獨(dú)特的雙輸入系統(tǒng)解決方案以及多路輸出模塊的新產(chǎn)品（如下圖紅標(biāo)產(chǎn)品）。

·MPM3695-100大電流可拓展模塊

2021年4月的慕尼黑上海電子展上，MPS展出了一款800A高動(dòng)態(tài)響應(yīng)可拓展電源平臺(tái)展品——并聯(lián)搭載了8顆MPS電源模塊產(chǎn)品MPM3695-100。其單顆芯片持續(xù)輸出電流達(dá)100A，且支持最多8顆并聯(lián)擴(kuò)展達(dá)最大800A負(fù)載電流能力。同時(shí)內(nèi)部集成PMBus接口、調(diào)試靈活，外圍電路也非常簡(jiǎn)單，非常適用于未來5G、人工智能、云服務(wù)、硬件加速等大電流POL（負(fù)載點(diǎn)）供電場(chǎng)景。

它支持4~16V 輸入; 0.5~3.3V 輸出。其效率非常高，在典型的12V 輸入、1V 輸出時(shí)，最高效率可達(dá)90%。外一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是超高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即基于 Constant‐on‐Time（COT），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)，可極大地增加動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以減少輸出電容的尺寸和數(shù)量。

另外占位面積也很小，與分立方案相比，最多降低70%的占板面積。同時(shí)它還是一個(gè)數(shù)字模塊，有數(shù)字可編程的功能，客戶可以去優(yōu)化它們的配置。

·MPM82504等多路輸出的電源模塊

MPM82504是業(yè)界首款四路25A可拓展的電源模塊。與MPM3695-100一樣，支持4~16V 輸入; 0.5~3.3V 輸出。它的最大優(yōu)勢(shì)是提供了四路 25A 的輸出電流，并且可以在四路之間任意并聯(lián)，同時(shí)模塊與模塊之間也可以并聯(lián)(如下圖)，以快速靈活地適應(yīng)不同的應(yīng)用，同時(shí)可以通過片間并聯(lián)來達(dá)到和MPM3695-100一樣的最多 800A的輸出電流。

另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是通過這種高集成化多路輸出的電源模塊，可以極大改善在加速硬件板卡上的占板面積。

由于這種多路輸出在加速卡應(yīng)用的場(chǎng)景非常有優(yōu)勢(shì)，MPS此次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中，分為雙路輸出和四路輸出。

①雙路輸出推出了3款產(chǎn)品：3690-20A、3690-30A和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。

②4路輸出的電源模塊有3款新品，電流從低到高是MPM54504是四路5A的電源模塊，MPM81204是雙路12A+雙路5A，以及上文介紹過的MPM82504，該模塊是4路25A。

為何MPS的電源集成方案最多是4路的？沒有更多路的？實(shí)際上，從技術(shù)難度來講，首先是芯片需要有多路輸出的能力，其次從封裝的角度來看，我們需要把更多的晶圓和被動(dòng)元件集成在同一個(gè)封裝里面，這是技術(shù)的難度，但是對(duì)于MPS來講這個(gè)難度并不大。那么要不要做這種擴(kuò)展？這主要取決于市場(chǎng)?，F(xiàn)在看來，兩路和四路輸出是比較優(yōu)化的方案，因?yàn)槿绻嗦份敵觯讶侩娫醇稍赑CB上的一個(gè)點(diǎn)，對(duì)于客戶的布板反而有點(diǎn)不太方便。

5 MPM3695‐100的高性能是如何實(shí)現(xiàn)的？

1）動(dòng)態(tài)性能為何非常好？

在輸出電流出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的時(shí)候，控制環(huán)路需要非常快地去響應(yīng)這個(gè)動(dòng)態(tài)。MPS的產(chǎn)品因?yàn)槭褂昧薈OT的控制架構(gòu)，這種COT的控制架構(gòu)允許Buck變換器在出現(xiàn)跳變的時(shí)候去變頻控制，即converter的運(yùn)行頻率并不是固定的，而傳統(tǒng)的電流控制架構(gòu)是固定的，例如600kHz。COT在跳變的時(shí)候是會(huì)增加switching（開關(guān)）的頻率，所以會(huì)提供更好的動(dòng)態(tài)性能。

2）電流達(dá)100A，需要解決哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？

挑戰(zhàn)主要來自晶圓的設(shè)計(jì)和封裝的集成性兩個(gè)方面。

①從晶圓/IC 的設(shè)計(jì)上，MPM3695‐100的IC是專門針對(duì)這個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)化的，同時(shí)它集成了控制芯片、功率管、驅(qū)動(dòng)電路等。晶圓本身提供了非常高的集成性，同時(shí)在高集成下還要提供非常高的效率。

②封裝方面，需要把多顆晶圓和多個(gè)被動(dòng)元件集成封裝在同一個(gè)package里。該模塊采用最先進(jìn)的Flip‐chip的封裝再加上基板的設(shè)計(jì)，業(yè)界稱它為先進(jìn)封裝，這種封裝很多應(yīng)用是在非常領(lǐng)先的手機(jī)類IC的封裝上會(huì)用到， MPS也把它用到了電源類產(chǎn)品上。

3）如何解決散熱？ 

主要是兩方面，一方面從源頭上去減小loss（損耗）的產(chǎn)生；另一方面，對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的loss，要通過降低熱阻的形式，迅速地把它散出去。

①怎樣從源頭降低功率損耗的發(fā)生？MPS通過使用monolithic這一特殊工藝，可以把片上的寄生參數(shù)控制得非常好，這非常有助于降低開關(guān)損耗（switching loss）。那么conduction loss（傳導(dǎo)損耗)是基于MPS的芯片研發(fā)和芯片制造的工藝，通過工藝上的改善來降低conduction loss，所以這兩方面結(jié)合起來，可以把運(yùn)行的效率提高得較高。

②產(chǎn)生了損耗以后，如何把它及時(shí)地散出去？在散熱方面，MPS有很多創(chuàng)新/專利，包括內(nèi)部散熱片的使用。同時(shí)也會(huì)使用先進(jìn)的倒裝工藝，可以使IC/晶圓通過銅柱和基板相接觸，這樣可有效地降低晶圓到基板到PCB的熱阻。

4）與競(jìng)品的差異化

① MPS的功率芯片、模塊都是MPS制造的。所以從芯片設(shè)計(jì)的源頭開始，MPS擁有自己的工藝、晶圓、生產(chǎn)線。所以相比一些需要從外部采購功率管的廠商，MPS具有成本上優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有設(shè)計(jì)優(yōu)化、質(zhì)量控制的優(yōu)勢(shì)。

②從性能上，加速卡有幾個(gè)趨勢(shì)：高效率和高動(dòng)態(tài)。這兩點(diǎn)MPS相比其他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是非常有優(yōu)勢(shì)的。首先高效率，MPS的工藝都是針對(duì)功率IC來優(yōu)化過的工藝，所以能提供更高的效率。另外，有非?？斓膭?dòng)態(tài)響應(yīng)，MPS有獨(dú)特的COT的控制方案，這種控制方案會(huì)提供動(dòng)態(tài)的效率，在性能上具有極大的優(yōu)勢(shì)。再有，MPS跟很多加速芯片、加速卡的生產(chǎn)廠家有深度合作，MPS的很多參考設(shè)計(jì)是加速芯片廠家驗(yàn)證過的。