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瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心加速卡，MPS推出多款全集成電源模塊
2022-03-10
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“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，如機器學(xué)習(xí)、圖片識別、信號處理，仿真引擎等等。這些應(yīng)用的出現(xiàn)，對數(shù)據(jù)中心以及云計算相關(guān)的基礎(chǔ)架構(gòu)提出了更高的要求，因為這些新的應(yīng)用會提出超級大的數(shù)據(jù)量需求。”5月14日，在MPS新品發(fā)布會上，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理楊恒指出，“傳統(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：計算加速；存儲加速；通訊加速。基本上在數(shù)據(jù)處理的整個環(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)中心的各個領(lǐng)域，他們還會推出應(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)計方案提出了更多的挑戰(zhàn)！”
加速硬件電源方案四大趨勢 
他表示加速硬件對于電源方案需求趨勢可以總結(jié)為四點：1、迅捷、高效、集成化、可拓展。那么其中迅捷就包括了兩點：第一個是說電源解決方案需要有更高的響應(yīng)速度以適應(yīng)更大的動態(tài)跳變，同時整個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)對更加緊湊的硬件設(shè)計。 3、集成化---由于加速卡的設(shè)計非常的緊湊，意味著它的密度會越來越高，就需要廠商提供全集成的模塊化設(shè)計，這種集成化的模設(shè)計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，就是在同一個封裝內(nèi)加入多個輸出，這種多路輸出會靈活地匹配日趨復(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，因為數(shù)據(jù)和人工智能是在一個加速發(fā)展過程中，在這種過程當(dāng)中會涌現(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。
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)在最新一代的專門針對加速卡市場推出的加速芯片，已經(jīng)用到了最先進(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，同時由于加入了更多的邏輯單元，會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，對于內(nèi)核電壓的要求則越來越低。同時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，他們也集成了更多的功能單元，如除了加速邏輯單元以外，他們會集成RM處理器以及DSP。然后他們還會加入這種專門優(yōu)化過的加速引擎。那么這種越來越高的集成化就會造成針對加速芯片的電源解決方案會越來越復(fù)雜，就是它需要不同電壓、不同路的多路的輸入，就是電壓軌會越來越多。然后還有一個趨勢就是由于各種各樣不同的加速應(yīng)用，為了應(yīng)對這些不同的加速的應(yīng)用，首先這些加速芯片的廠商會在同一個系列下的芯片，它會針對不同的應(yīng)用做出不同的優(yōu)化，這種優(yōu)化就會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，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占用到內(nèi)部80%的資源，那么它對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，對于這種加速芯片的邏輯單元就不那么高，那么可能會用到50%的邏輯芯片，那么這樣對于核供電的電流要求也會下降，比方說120A的滿載，它可能會用到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，還有電流也是個各不相同的。 他表示另外一個趨勢就是：大動態(tài)，這種大動態(tài)是隨著應(yīng)用調(diào)用資源相關(guān)的。如下圖所示：
這是一個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，它需要的滿載電流是180A。為了滿足這個應(yīng)用環(huán)境當(dāng)中對于資源的調(diào)用，就要求負(fù)載跳變需要 0A-100A, 這是一個很大的動態(tài)，這里說的0-100A是步長；同時呢，它的di/dt（上升沿）也是一個非常快的速率，因為這個速率取決于邏輯單元調(diào)用（打開）的速率，假如說它從時間點1到時 間點2，迅速從這個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)核供電對大動態(tài)的要求。在這種大動態(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，典型的峰峰值應(yīng)該要求的是<+/-3%。
而電源產(chǎn)品在這個加速卡研發(fā)過程中實際上是占有時間較多，對于傳統(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)路補償，這非常耗時。而且原理圖和布局設(shè)計也是比較復(fù)雜，同時由于有比較復(fù)雜的PCB源布線和原理圖，那么就會有可能出現(xiàn)風(fēng)險，出現(xiàn)多次制板的驗證。
“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)計在2周內(nèi)全部都完成，然后去制板和組裝。這個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。“這對于加速廠商來講，是非常重要的去應(yīng)對新的加速應(yīng)用的環(huán)境。” MPS針對加速卡推出的大電流電源模塊 基于這樣的趨勢，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，它的主要特點是 支持4V-16V 輸入; 0.5V-3.3V 輸出，它可以支持最大 100A 的輸出電流。該解決方案非常緊湊。把功率管控制IC，以及一些被動元件電感電阻全都集成在15x30mmBGA封裝中，外圍器件很少。
其效率也是很高，在典型的12V 輸入, 1V 輸出下，最高效率可達(dá)90% ，同時它還可以拓展，通過簡單的信號線互聯(lián)，可以從一個100A的解決方案拓展到 800A，這對于加速卡應(yīng)用來講是非常友好的。
“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，信號線位置都放在旁邊，所以說對客戶的Layout是非常友好的。它可以非常簡單地擴(kuò)展到800A的解決方案，右邊這個圖展示的就是一個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。
MPS推出的MPM82504則是業(yè)界首款四路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；其最大優(yōu)勢是這個模塊提供了四路 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。
從上圖看它可以提供4路 25A的輸出電流，同時它可以并聯(lián)2路形成50A和2路25A的應(yīng)用，還同時可以并聯(lián)3 路形成75A+25A，最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， 同時通過片間的并聯(lián)實現(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于不同輸入電壓軌的要 求。
可以看一下左邊這個圖，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82504的尺寸，這樣就幫客戶進(jìn)一步降低了占板面積。
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，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這個電源模塊是雙路12A+雙路5A；MPM82504是4路25A。
他表示MPS未來還會推出多種電源模塊，去覆蓋更廣的應(yīng)用環(huán)境。上圖展示了MPS所有最新一代的電源模塊。從低壓到中壓到高壓都有覆蓋，在電流的輸出上從最低的0.6A和1.2A的輸出能力，一路到100A，通過100A并聯(lián)模塊可最多支持800A的輸出！（完）
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