GPU 的預(yù)測瞬態(tài)仿真分析

如今，圖形處理單元 (GPU) 具有數(shù)百億個晶體管。隨著每一代新一代 GPU 的出現(xiàn)，GPU 中的晶體管數(shù)量不斷增加，以提高處理器性能。然而，晶體管數(shù)量的增加也導(dǎo)致功率需求呈指數(shù)增長，這使得滿足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得更加困難。

如今，圖形處理單元 (GPU) 具有數(shù)百億個晶體管。隨著每一代新一代 GPU 的出現(xiàn)，GPU 中的晶體管數(shù)量不斷增加，以提高處理器性能。然而，晶體管數(shù)量的增加也導(dǎo)致功率需求呈指數(shù)增長，這使得滿足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得更加困難。

本文演示了如何使用SIMPLIS Technologies 的SIMPLIS模擬器來預(yù)測和優(yōu)化下一代 GPU 的電源行為，其中高轉(zhuǎn)換率要求和超過 1,000 A 的電流水平需要更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

恒定導(dǎo)通時間 (COT) 控制

多相降壓轉(zhuǎn)換器的恒定導(dǎo)通時間 (COT) 架構(gòu)用高速比較器取代了補償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器 (EA)。輸出電壓 (V OUT ) 通過反饋電阻器檢測，并與參考電壓 (V REF ) 進行比較。當(dāng) V OUT降至低于 V REF時，高側(cè) MOSFET (HS-FET) 導(dǎo)通。MOSFET 的導(dǎo)通時間是固定的，這意味著轉(zhuǎn)換器可以在穩(wěn)定狀態(tài)下實現(xiàn)恒定頻率。如果存在負載階躍瞬變，轉(zhuǎn)換器還可以顯著提高其脈沖率，以限度地減少輸出下沖。然而，在這種情況下，非線性環(huán)路控制會使環(huán)路調(diào)整復(fù)雜化。

圖 1顯示了用于快速瞬態(tài)響應(yīng)的 COT 控制。

圖 1 COT 控制實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。資料：單片電源系統(tǒng)

必須對轉(zhuǎn)換器的行為和供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 進行準確建模，以仿真瞬態(tài)降壓性能并驗證各種基于 GPU 的系統(tǒng)，而無需經(jīng)歷漫長、昂貴的迭代過程。

供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)

PDN 由連接到電壓和接地軌的組件組成，包括電源和接地平面布局、用于電源穩(wěn)定性的去耦電容器，以及連接或耦合到主電源軌的任何其他銅特性。PDN 設(shè)計的主要目標是化電壓波動并確保 GPU 正常運行。

圖 2顯示了典型 GPU 供電網(wǎng)絡(luò)的 PDN 架構(gòu)。

圖 2典型 GPU 供電網(wǎng)絡(luò)的 PDN 架構(gòu)包括連接到電壓和接地軌的組件。資料：單片電源系統(tǒng)

PDN 中的組件顯示寄生行為，例如電容器的等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)。在對系統(tǒng)響應(yīng)進行建模時，還必須考慮這些寄生元件。增加轉(zhuǎn)換速率會產(chǎn)生更強大的高頻諧波。PDN 的電阻器、電感器、電容器 (RLC) 組件會產(chǎn)生設(shè)計人員可能沒有意識到的諧振回路，其諧振頻率會放大轉(zhuǎn)換器開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波，從而導(dǎo)致意外的轉(zhuǎn)換器行為。

表 1顯示了人工智能 (AI) 應(yīng)用的典型電源軌要求。

表 1上面的數(shù)字突出顯示了電源軌的設(shè)計規(guī)范。資料：單片電源系統(tǒng)

此分析是使用評估板執(zhí)行的，該評估板結(jié)合了16 相數(shù)字控制器MP2891和130 A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22163-130 。評估板可達 2,000 A（圖 3）。

圖3評估板結(jié)合了數(shù)字控制器和降壓電源模塊。資料：單片電源系統(tǒng)

PCB建模

電源和接地多邊形形狀的復(fù)雜性和多層堆疊使得很難從布局中手動計算電阻和電感。相反，PCB 的散射參數(shù)（S 參數(shù)）可以使用 Cadence Sigrity PowerSI 提取，頻率范圍為 0 MHz 至 700 MHz。端口定義如下： 端口 1 包括頂部的垂直模塊；端口 2 包括底部的垂直 MPC22163-130 模塊；端口 3 包括電容器連接；端口 4 包括與負載的連接。

圖 4提取 PCB 的 S 參數(shù)需要特定的端口配置。資料：單片電源系統(tǒng)

為電容器連接分配特殊端口很重要，因為它們在緩解來自 GPU 的快速瞬變方面的有效性取決于數(shù)量和位置。不同的電容器位置會影響 PCB 的 S 參數(shù)，無效的定位會導(dǎo)致瞬態(tài)緩解效果不佳和功率效率低下。通常，建議將電容器排成一排，以盡量減少路徑長度的差異，并根據(jù)滿足目標阻抗規(guī)格所需的諧振頻率來選擇電容。

此 PDN 板設(shè)計中使用了兩種不同的電容器類型：大容量電容器和 MLCC 電容器。電壓、額定溫度和結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)會影響電容器有效濾波的頻率。因此，為了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計人員必須在仿真中使用集總電容模型來考慮電容器的阻抗曲線（見圖5）。

圖 5等效大容量電容器模型和頻率響應(yīng)評估電容器的阻抗曲線。資料：單片電源系統(tǒng)

集總電容模型中的C BYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容器阻抗的頻率響應(yīng)。諧振頻率 (f O )，或阻抗點，可以用公式 (1) 確定：

fo = 1/2π√L×C (1)

這些電容器的主要目的是在承受穩(wěn)壓器模塊 (VRM) 效率低下的高頻時保持低阻抗。出現(xiàn)這種低效率是因為 VRM 的有效帶寬和相位裕度處于低頻 (<1MHz)。因此，電容器必須濾除頻率在 VRM 帶寬之外的信號，通常范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，這會影響 PDN 的操作。

圖 6顯示了典型的 PDN 阻抗曲線，可分為三個區(qū)域：低頻（0 MHz 至 1 MHz）、中頻（1 MHz 至 100 MHz）和高頻（100 MHz 以上）。這種相關(guān)性只考慮了處于低頻到中頻范圍內(nèi)的 VRM 和主板，瞬態(tài)負載施加在球柵陣列 (BGA) 連接器上。

圖 6 PDN 阻抗曲線顯示了三個不同的頻率范圍。資料：單片電源系統(tǒng)

時域仿真與關(guān)聯(lián)

瞬態(tài)仿真是使用 SIMPLIS 仿真器進行的，SIMPLIS 仿真器是一種開關(guān)電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實現(xiàn) COT 控制等非線性功能。MP2891 數(shù)字控制器的 SIMPLIS 模型結(jié)合了 MPC22163-130 降壓模塊和之前提取的 PCB 的 S 參數(shù)。在將 S 參數(shù)用于 SIMPLIS 模擬器進行瞬態(tài)分析之前，必須使用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為 RLGC 模型。

圖 7顯示了 MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數(shù)作為串聯(lián)電感器（L9 和 L3）和電阻器（R1 和 R2）添加到原理圖中。

圖 7 SIMPLIS 模型對 MP2891 和 MPC22163-130 進行瞬態(tài)仿真。資料：單片電源系統(tǒng)

SIMPLIS 仿真將 MP2891 數(shù)字控制器的非線性與準確的功率傳輸建模相結(jié)合，能夠準確預(yù)測主板上的瞬態(tài)行為。圖 8顯示了 SIMPLIS 仿真和實驗室測量的比較，其中差異僅為 5 mV。

圖 8 SIMPLIS 仿真和實驗室測量之間只有 5 mV 的差異。資料：單片電源系統(tǒng)

為什么要進行瞬態(tài)仿真？

本文在評估板上使用多相控制器和兩相非隔離式高效降壓電源模塊對預(yù)測瞬態(tài)仿真進行建模。的轉(zhuǎn)換器模型和供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)允許準確預(yù)測多相降壓轉(zhuǎn)換器的性能、瞬態(tài)下垂和過沖。

因此，可以通過減少輸出電容器的數(shù)量并確定其有效位置來在早期階段優(yōu)化處理器設(shè)計。此外，如果設(shè)計規(guī)范發(fā)生變化，準確的模擬可以快速評估這些變化的影響，并識別任何潛在問題。