升級電源和機(jī)架架構(gòu)，滿足AI服務(wù)器的需求

前言

人工智能（AI）的迅猛發(fā)展推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心處理能力的顯著增長。如圖1所示，英飛凌預(yù)測單臺GPU的功耗將呈指數(shù)級上升，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到約2000 W [1]，而AI服務(wù)器機(jī)架的峰值功耗將突破驚人的300 kW。這一趨勢促使數(shù)據(jù)中心機(jī)架的AC和DC配電系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)升級，重在減少從電網(wǎng)到核心設(shè)備的電力轉(zhuǎn)換和配送過程中的功率損耗。

圖1 基于x86和Arm^?架構(gòu)的服務(wù)器CPU與GPU和TPU的電力需求對比

圖2（右）展示了開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）機(jī)架供電架構(gòu)的示例。每個(gè)電源架由三相輸入供電，可容納多臺PSU；每臺PSU由單相輸入供電。機(jī)架將直流電壓（例如，50 V）輸出到母線，母線則連接到IT和電池架。

AI的發(fā)展趨勢要求對PSU功率進(jìn)行革新，如圖2（左）所示。接下來，我們將通過各代PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)建議示例，來逐步介紹這些PSU的演變。

圖2  AI服務(wù)器PSU的功率演變（上）；服務(wù)器機(jī)架架構(gòu)示例（下）

AI服務(wù)器機(jī)架PSU的趨勢和功率演進(jìn)

第一代AI PSU：在相同的架構(gòu)下提升功率，~5.5-8 kW、50 Vout、277 Vac、單相

當(dāng)前的AI服務(wù)器PSU大多遵循ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn)[9]。相較于先前的ORv3 3 kW標(biāo)準(zhǔn)[9]，該標(biāo)準(zhǔn)的大部分要求（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變，但增加了與AI服務(wù)器需求相關(guān)的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后詳述）。此外，由于與BBU架的通信方式有所調(diào)整，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍變得更窄。

盡管每個(gè)電源架都通過三相輸入（400-480 Vac L-L）供電（見圖2），但每臺PSU的輸入仍為單相（230-277 Vac）。圖3展示了符合ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn)的第一代PSU的部署示例：PFC級可以采用兩個(gè)交錯(cuò)的圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，650 V CoolSiCTM MOSFET用于快臂開關(guān)，600 V CoolMOSTM SJ MOSFET用于慢臂開關(guān)。DC-DC級可以選用650 V CoolGaNTM晶體管的全橋LLC，次級全橋整流器和ORing則使用80 V OptiMOSTM Power MOSFET。此外，示例還展示了一個(gè)中間級，也稱“延長保持時(shí)間”或“小型升壓”，其作用是減小大容量電容器的尺寸。該中間級由一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器組成，在線路周期掉電事件期間，通過儲能電容器放電，以調(diào)節(jié)LLC輸入電壓。在正常運(yùn)行期間，升壓轉(zhuǎn)換器保持空閑狀態(tài)，并通過低阻抗的600 V CoolMOSTM SJ MOSFET旁路。

圖3 第一代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及器件技術(shù)示例

第二代AI PSU：增加線路電壓，以實(shí)現(xiàn)更高的功率，~8-12 kW、50 Vout、277–347 Vac、單相

如上所述，隨著機(jī)架功率增加到300 kW以上，電源架的功率密度變得至關(guān)重要。因此，下一代PSU的設(shè)計(jì)方向是，在單相架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)8 kW至12 kW的輸出功率。隨著每個(gè)機(jī)架的功率增加，數(shù)據(jù)中心中的機(jī)架數(shù)量在某些情況下，可能會(huì)受配電電流額定值和損耗的約束。因此，為了降低交流配電的電流和損耗，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心可能會(huì)將機(jī)架的交流配電電壓從400/480 V提高到600 Vac L–L（三相），同時(shí)將PSU的輸入電壓從230/277 Vac提高到 347 Vac（單相）。

雖然這一變化有利于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和資源利用，但會(huì)影響PSU的額定電壓和設(shè)計(jì)。在347 Vac的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設(shè)定在575 Vdc左右，這意味著傳統(tǒng)的650 V器件的額定電壓已無法滿足要求。圖4展示了一個(gè)示例：第一代 PSU使用的兩電平圖騰柱PFC被替換為400 V CoolSiCTM MOSFET 的三電平飛電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）級。多電平功率轉(zhuǎn)換概念使得在使用較低額定電壓的開關(guān)器件的同時(shí)，支持更高的輸入電壓。憑借多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率倍增效應(yīng)，3-L FCTP PFC能夠帶來更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiCTM技術(shù)針對400 V的較低擊穿電壓進(jìn)行了優(yōu)化，與650 V 和 750 V CoolSiCTM參考器件相比，其FoM更為優(yōu)異（見圖5（左））。此外，圖5（右）顯示了導(dǎo)通電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的曲線，其中，400 V CoolSiCTM MOSFET的RDS(on) 100°C僅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)與Tj之間的這一平緩關(guān)系有助于CoolSiCTM MOSFET實(shí)現(xiàn)更高的RDS(on) typ，從而降低成本并提升開關(guān)性能。

圖4 第二代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

圖5 400 V CoolSiCTM與650 V和750 V CoolSiCTM對比，具有更優(yōu)的開關(guān) FoM和穩(wěn)定的RDS(on)與結(jié)溫的關(guān)系：品質(zhì)因數(shù)（上），RDS(on)與Tj（下）

對于DC-DC級來說，三相LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種理想選擇，其中，750 V CoolSiCTM MOSFET用于初級側(cè)開關(guān)，80 V OptiMOSTM 5 Power MOSFET用于次級全橋整流器和ORing。由于增加了第三個(gè)半橋開關(guān)臂，該解決方案能夠提供更高的功率，有效降低輸出電流的紋波，并通過三個(gè)開關(guān)半橋之間的固有耦合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電流分配。

第三代AI PSU：三相架構(gòu)與400 V配電，最高功率約為22 kW，400 Vout，480-600 Vac，三相

為了進(jìn)一步提高機(jī)架功率，第三代AI PSU將采用更具顛覆性的機(jī)架架構(gòu)，具體如下：

●   PSU輸入：從單相轉(zhuǎn)為三相，以提高功率密度，并降低成本

●   電源架PSU輸出電壓：從50 V提升到400 V，以降低母線電流、損耗和成本

圖6展示了一個(gè)三相輸入、400 V輸出的PSU部署示例，以及推薦的器件和技術(shù)。PFC級采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢在于采用分離式總線電壓設(shè)計(jì)，因此可以使用650 V器件：通過使用雙倍數(shù)量的背靠背650 V CoolSiCTM MOSFET和 1200 V CoolSiCTM二極管實(shí)現(xiàn)。PFC輸出配置為分離式電容器，每個(gè)電容器電壓為430 V，并為全橋LLC轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在初級和次級側(cè)均使用650 V CoolGaNTM晶體管。兩個(gè)LLC級在初級側(cè)串聯(lián)，次級側(cè)并聯(lián)，以向400 V母線供電。

此外，也可以將兩個(gè)背靠背的650 V CoolSiCTM MOSFET替換為650 V CoolGaNTM 雙向開關(guān)（BDS），后者是真正的常關(guān)型單片雙向開關(guān)。這意味著一個(gè)CoolGaNTM BDS即可取代4個(gè)分立式電源開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)相同的RDS(on)，這是因?yàn)樗赗DS(on)/mm2方面具備更高的芯片尺寸利用率。

圖6 第三代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

WBG為 AI PSU帶來的優(yōu)勢

CoolGaNTM助力實(shí)現(xiàn)高峰值功率瞬變

寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體（例如，CoolGaNTM[2]）能夠在更高的開關(guān)頻率下，實(shí)現(xiàn)最佳效率，使轉(zhuǎn)換器在不影響轉(zhuǎn)換效率的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，因此，成為AI PSU的理想選擇。

除了AI PSU的額定功率顯著增加外，GPU在運(yùn)行時(shí)還會(huì)拉動(dòng)更高的峰值功率，并產(chǎn)生高負(fù)載瞬變（見圖7）。因此，DC-DC級的輸出必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)需確保電壓的過沖和下沖保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過提升開關(guān)頻率，并增加控制環(huán)路帶寬，可以提高DC-DC級的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖7 AI GPU所需的AI PSU峰值功率

400V CoolSiCTM MOSFET可在3-L飛電容圖騰柱PFC中實(shí)現(xiàn)最高效率

使用 CoolSiCTM MOSFET 400 V的三電平級飛跨電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的交流輸入電壓（見第2.2節(jié)），且相較CoolSiCTM 650 V和750 V參考器件，其品質(zhì)因數(shù)（FoM）更佳，因此還能提供顯著的功率密度和效率優(yōu)勢。經(jīng)過優(yōu)化的電感器設(shè)計(jì)（包括尺寸、材料和繞組）和3L拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的RDS(on)選擇，結(jié)合更低的開關(guān)損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)平緩的效率曲線：峰值效率超過99.3%，滿載效率超過99.15%（見圖8）。

圖8 效率對比：3-L FCTP PFC與2-L TP PFC

結(jié)論

為了滿足數(shù)據(jù)中心對AI應(yīng)用的需求，新一輪技術(shù)角逐已經(jīng)啟動(dòng)，推動(dòng)了機(jī)架和PSU的電力需求大幅增長。其中，AI PSU的功率需求已經(jīng)從3-5.5 kW，提升到8-12 kW（單相）和高達(dá)22 kW（三相）。這種需求給數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商帶來了新的挑戰(zhàn)，即如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間和電力的效率和利用率。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要采用新的機(jī)架架構(gòu)和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiCTM和CoolGaNTM的設(shè)計(jì)處于PSU設(shè)計(jì)的前沿，致力于實(shí)現(xiàn)最佳效率和功率密度。

此外，新的寬禁帶器件在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也展現(xiàn)了極佳的性價(jià)比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱PFC中采用400 V CoolSiCTM MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaNTM BDS（詳見前文）。

總而言之，英飛凌的功率器件技術(shù)組合（硅、碳化硅和氮化鎵）和經(jīng)過優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品組合，通過混合應(yīng)用，為當(dāng)前和下一代平臺及趨勢的發(fā)展提供了支持。這些組合充分利用了三種技術(shù)的優(yōu)勢，使PSU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最佳靈活性，并在效率、功率密度和系統(tǒng)成本之間達(dá)成平衡。此外，英飛凌還率先推出了全球首項(xiàng)300毫米氮化鎵功率半導(dǎo)體等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)了文章[10]中所述的未來設(shè)計(jì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn) 

[1]   Infineon Technologies AG: We power AI, Online Media Briefing

[2]   Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN)

[3]   Infineon Technologies AG: GaN transistors (GaN HEMTs)

[4]   Infineon Technologies AG: Silicon Carbide MOSFET Discretes

[5]   Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report

[6]   Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC? and XMC?– Infineon Technologies application note

[7]   Infineon Technologies AG: CoolSiC? totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note

[8]   Infineon Technologies AG: CoolGaN? totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note

[9]   Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard

[10] Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 mm power gallium nitride (GaN) technology – an industry game-changer

[11] Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions