云計算對電源模塊帶來(lái)哪些挑戰？MPS大電流、多路輸出模塊來(lái)助力

1 云計算與AI對硬件加速的需求越來(lái)越大

過(guò)去幾年，大數據與人工智能（AI）高速發(fā)展，涌現了大量應用，諸如機器學(xué)習，圖片識別，信號處理，仿真引擎等。這對數據中心以及云計算相關(guān)的基礎架構提出了更高的要求，傳統的基于CPU的軟件處理和加速已無(wú)法滿(mǎn)足需求。

傳統的CPU架構是串行的處理架構，限制了高帶寬、大數據量的處理需求。為此出現了基于GPU、FPGA、ASIC等加速芯片的加速硬件，它們能并行處理數據，極大地提升了效率。例如對于相對簡(jiǎn)單的數據計算，例如矩陣類(lèi)的數據計算，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(lèi)：計算加速、存儲加速、通訊加速，基本涵蓋了數據處理的各個(gè)環(huán)節。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，用于數據中心，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計方案提出了諸多挑戰。

2 加速硬件用電源的趨勢   

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速度，以適應更大的動(dòng)態(tài)跳變，②電源解決方案的開(kāi)發(fā)速度非?？?，以適應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，以應對更加緊湊的硬件設計。

·集成化。體現在兩方面。①減少占板面積。因為加速卡的設計非常緊湊，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(hù)會(huì )有更多的板面積用于其他功能，例如內存/HBM（High‐bandwidth Memory）等。②需要多路輸出的電源，即在同一封裝內加入多個(gè)輸出，以靈活匹配日趨復雜、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)境和應用。因為大數據和AI發(fā)展很快，正不斷涌現之前完全沒(méi)出現過(guò)的應用，所以電源解決方案需要足夠靈活，以便迅速適合全新的應用。 

3 加速芯片所需的供電架構

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

1）核電壓降低。由于加速硬件在A(yíng)I和大數據領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，所以各大加速芯片廠(chǎng)家也紛紛推出先進(jìn)工藝的加速芯片。以FPGA為例，加速芯片已達最先進(jìn)的7nm制程，以在同樣的尺寸內集成更多的邏輯單元。不過(guò)，由于邏輯單元的密度越來(lái)越高，會(huì )使芯片的整體功率越來(lái)越大。另外，由于采用更先進(jìn)的制程，核電壓越來(lái)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(lái)越高的集成化也會(huì )造成針對加速芯片的電源的解決方案越來(lái)越復雜，需要不同的電壓、不同路的多路輸入，即電壓軌越來(lái)越多。

3）電流隨應用變化。隨著(zhù)應用的不同，電源解決方案的電壓軌的數量，還有電流也是不同的。①加速芯片的廠(chǎng)商會(huì )在同一系列下的芯片，會(huì )針對不同的應用做優(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，在不同應用場(chǎng)合所用到的內部的邏輯資源也是不同的，例如對于某些應用，同一款加速芯片可能會(huì )占用內部80%的資源，那么它對核供電的電流的要求就基本要求100%。如果它的滿(mǎn)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，因此對核供電的電流要求會(huì )下降，例如120A的滿(mǎn)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(mǎn)載電流是180A。為了滿(mǎn)足這種應用環(huán)境對資源的調用，就要求負載跳變需要 0~ 100A（步長(cháng)），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太大的波動(dòng)，典型的峰-峰值要求是<±3%。

5）開(kāi)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(kāi)發(fā)周期，例如MPS公司的電源模塊可以在2周內把選型、采購還有原理圖設計完成，然后在1~3周內去制板和組裝。由于MPS的電源模塊做了高度集成和優(yōu)化，客戶(hù)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(xiàn)，還可以把開(kāi)發(fā)周期極大地縮短。

模塊電源在現在芯片缺貨現象嚴重的情況下更有意義。因為采用分立器件方案，客戶(hù)需要跟多個(gè)供應商打交道，一個(gè)環(huán)節出問(wèn)題都會(huì )影響進(jìn)程。采用模塊后，現在只和一家模塊供應商聯(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有很多適合各種應用場(chǎng)景的模塊產(chǎn)品。近日，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理楊恒博士向電子產(chǎn)品世界記者介紹了大電流模塊系列新產(chǎn)品、MPS獨特的雙輸入系統解決方案以及多路輸出模塊的新產(chǎn)品（如下圖紅標產(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)響應可拓展電源平臺展品——并聯(lián)搭載了8顆MPS電源模塊產(chǎn)品MPM3695-100。其單顆芯片持續輸出電流達100A，且支持最多8顆并聯(lián)擴展達最大800A負載電流能力。同時(shí)內部集成PMBus接口、調試靈活，外圍電路也非常簡(jiǎn)單，非常適用于未來(lái)5G、人工智能、云服務(wù)、硬件加速等大電流POL（負載點(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90%。外一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是超高速動(dòng)態(tài)響應，即基于 Constant‐on‐Time（COT），在動(dòng)態(tài)的時(shí)候可以針對時(shí)鐘的頻率進(jìn)行調節，可極大地增加動(dòng)態(tài)響應，以減少輸出電容的尺寸和數量。

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)數字模塊，有數字可編程的功能，客戶(hù)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)，以快速靈活地適應不同的應用，同時(shí)可以通過(guò)片間并聯(lián)來(lái)達到和MPM3695-100一樣的最多 800A的輸出電流。

另外一個(gè)優(yōu)勢是通過(guò)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用的場(chǎng)景非常有優(yōu)勢，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(guò)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(méi)有更多路的？實(shí)際上，從技術(shù)難度來(lái)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(lái)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，但是對于MPS來(lái)講這個(gè)難度并不大。那么要不要做這種擴展？這主要取決于市場(chǎng)?，F在看來(lái)，兩路和四路輸出是比較優(yōu)化的方案，因為如果更多路輸出，要把全部電源集成在PCB上的一個(gè)點(diǎn)，對于客戶(hù)的布板反而有點(diǎn)不太方便。

5 MPM3695‐100的高性能是如何實(shí)現的？

1）動(dòng)態(tài)性能為何非常好？

在輸出電流出現動(dòng)態(tài)的時(shí)候，控制環(huán)路需要非?？斓厝ロ憫@個(gè)動(dòng)態(tài)。MPS的產(chǎn)品因為使用了COT的控制架構，這種COT的控制架構允許Buck變換器在出現跳變的時(shí)候去變頻控制，即converter的運行頻率并不是固定的，而傳統的電流控制架構是固定的，例如600kHz。COT在跳變的時(shí)候是會(huì )增加switching（開(kāi)關(guān)）的頻率，所以會(huì )提供更好的動(dòng)態(tài)性能。

2）電流達100A，需要解決哪些技術(shù)挑戰？

挑戰主要來(lái)自晶圓的設計和封裝的集成性?xún)蓚€(gè)方面。

①從晶圓/IC 的設計上，MPM3695‐100的IC是專(zhuān)門(mén)針對這個(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計，業(yè)界稱(chēng)它為先進(jìn)封裝，這種封裝很多應用是在非常領(lǐng)先的手機類(lèi)IC的封裝上會(huì )用到， MPS也把它用到了電源類(lèi)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，對于已經(jīng)產(chǎn)生的loss，要通過(guò)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(guò)使用monolithic這一特殊工藝，可以把片上的寄生參數控制得非常好，這非常有助于降低開(kāi)關(guān)損耗（switching loss）。那么conduction loss（傳導損耗)是基于MPS的芯片研發(fā)和芯片制造的工藝，通過(guò)工藝上的改善來(lái)降低conduction loss，所以這兩方面結合起來(lái)，可以把運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(zhuān)利，包括內部散熱片的使用。同時(shí)也會(huì )使用先進(jìn)的倒裝工藝，可以使IC/晶圓通過(guò)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。所以從芯片設計的源頭開(kāi)始，MPS擁有自己的工藝、晶圓、生產(chǎn)線(xiàn)。所以相比一些需要從外部采購功率管的廠(chǎng)商，MPS具有成本上優(yōu)勢，同時(shí)也有設計優(yōu)化、質(zhì)量控制的優(yōu)勢。

②從性能上，加速卡有幾個(gè)趨勢：高效率和高動(dòng)態(tài)。這兩點(diǎn)MPS相比其他的競爭對手是非常有優(yōu)勢的。首先高效率，MPS的工藝都是針對功率IC來(lái)優(yōu)化過(guò)的工藝，所以能提供更高的效率。另外，有非?？斓膭?dòng)態(tài)響應，MPS有獨特的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。再有，MPS跟很多加速芯片、加速卡的生產(chǎn)廠(chǎng)家有深度合作，MPS的很多參考設計是加速芯片廠(chǎng)家驗證過(guò)的。