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2-3年48V供电将迎来爆发期,48V/12V电源将如何共生共存?
2021-08-04 11:26:12
来源:
EETOP原创
在最近与Vicor的高层进行的媒体采访中,Vicor中国销售总监、数据中心及超级计算负责人陈新军介绍说:“随着
人工智能
技术的需求越来越大,
电源
配电向48V演进已经是一个非常明确的转变趋势。这个速度正在加速,相信明后年会有一个飞速的发展。”吴际也表示:“48V最近两年发展的速度比前面20年都还要快,已经呈现指数的数量级增长。现在包括
英特尔
、Facbook、特斯拉等都在往48V看齐。未来2-3年,48V应该会有很大的发展。”
从右往左:Vicor中国销售总监数据中心及超级计算负责人陈新军,
Vicor高级现场应用工程师杨周,Vicor高级现场应用工程师吴际
确实,
电源
配电向48V演进已经是一个非常明确的转变趋势。从行业标准的推进来看,虽然OCP联盟仍一如既往的发展其12V机架设计,不过为了解决高功率机架的诸多难题,近年来,已经在向可容纳48V PDN 的机架发展。2019年全面升级的中国天蝎计划3.0,为了承接未来
AI
算力的挑战,也定义了48V PSU+BBU集中供电的供电子系统。除此之外,
汽车
领域也已经有48V的标准,包括电动
汽车
、纯电
汽车
,以及插电混动
汽车
。
20世纪90年代,
汽车
行业就曾考虑用42V总线配电取代12V系统,但因为复杂性和成本过高,一直进展缓慢。今天,在全球环保压力下,对48V总线配电的需求越来越明显。Navigant的预测显示,就2025年全球新车销量而言,48V轻混动力车可能占据14%的市场份额。此外,数据中心领域也非常明确,未来数据中心的供电方案上,为了节能降耗,包括轨道交通、ATE,整个背板电压会提升至48V。可以预见,未来几年,在云计算、高性能计算,以及广泛的的工业领域、机器人、无人机、LED等应用范围内的
AI
领域里面都会有48V的应用。
最后一英寸的供电
靠电电压的指数级增长
如图所示,从2000年-2020年、2021年,
CPU
、
GPU
和
AI
芯片
靠电呈快速上升趋势。究其原因,主要是大家都在追求算力的提升,只有算力的提升,
CPU
性能才能更先进。算力的提升伴随着电流迅速的增长,对应的靠电电压就是缓慢下降的过程。2020年和2021年之间出现一个交接点,电流大概在1200A,靠电电压大概是在0.7、0.8。这个趋势不可逆。因为摩尔定律,集成在
CPU
上的晶体管一直在快速的上升,甚至是指数级增长。
晶体管是一个有三个端口的管子,即源端、栅端、漏端。电子从源端跑到漏端,借此完成信息的传递,决定传递节奏快慢的是栅端。它的开关由端口对应的电压变化来决定。由于大部分电子的速度都是全速运转的,
芯片
一定意义上的效率取决于管道的长短。当
芯片
越做越小时,晶体管密度越大,对应单位面积的晶体管数量增多,对应的电流增长,晶体管承受的电压率就会越低。这种低电压大电流的需求仍会持续存在,而且会越来越具有挑战性。
PCB空间受限带来的
电源
设计挑战
伴随低电压大电流的挑战,PCB空间局限性的问题越来越明显。随着性能的发展,大家都会要求PCB板子不变,或者PCB的板子缩小的情况下,要求性能提升几倍。杨周具体以OEM卡为例,介绍包括
AI
芯片
、
CPU
、
GPU
等器件的设计,从而可见留给
电源
设计的空间以及其它器件的空间非常小。未来对PCB空间的限制将是
电源
设计的一个巨大挑战。
Vicor解决方案:分比式
电源
架构
和
合封
电源
技术
为满足
人工智能
、机器学习、大数据挖掘等高性能应用日益增长的需求,
处理器
工作电流现在已经提高到数百安培。将大电流供电单元部署在
处理器
附近的负载
电源
架构,可减少主板上的配电损耗,但不能减少
处理器
与主板之间的互连挑战。随着
处理器
电流的增大,与
处理器
的剩余这一小段距离“最后一英寸”(包含主板导体以及
处理器
插槽内的互连)现已成了
处理器
性能和总体系统效率的限制因素。
为解决低电压大电流,以及PCB空间受限的问题,就需要尽可能把Last inch去掉。针对这些问题,Vicor提供了多种解决方案,包括分比式
电源
架构(FPA)、合封
电源
横向供电(LPD)以及合封
电源
垂直供电(VPD)等技术。
分比式
电源
架构将功率转换分解为单独的稳压和变压功能,这些功能可以单独优化,最大限度提高性能。稳压模块可部署在主板上的任何位置,而重要电流输出模块电流倍增器则可针对密度、效率和低噪声进行优化,并可部署在非常接近
处理器
的位置。电流倍增器不仅能够提供超过1000Amp的大电流,而且还可让PDN电阻锐降50倍。可根据
处理器
电流,Vicor可提供横向和纵向两种分比式
电源
选择。
Vicor合封
电源
技术克服了为高功率
处理器
进行大电流传输造成的障碍。通过“最后一英寸”供电,不仅提高了性能、简化了主板设计,更重要的意义是可帮助
处理器
实现前所未有的性能,从而兑现
人工智能
等高性能应用的一贯承诺。其中横向供电(LPD),大电流传输通过模块化电流倍增器模块(MCM)实现,这些模块布置在主板或
处理器
基板上,不仅可最大限度降低PDN损耗,而且还可以减少
电源
所需的
处理器
基板BGA引脚,LPD旨在支持OCP加速器模块(OAM)卡及定制
AI
加速器卡的供电需求和独特封装。合封
电源
垂直供电(VPD)主要是针对未来更高功率密度的需求的
电源
解决方案。
杨周特别介绍了Vicor的合封
电源
垂直供电技术。据介绍,最上面的是DCM模块,它将分比式架构的两部分都集成在一起。这个模块只提供48V,旨在解决最极端的
CPU
集群的
电源
问题。中间级是GCM模块。这个模块相当于把分布式架构前面这一级拿出来放到其他地方去,只剩第二级功率转换部分几个模块集成在一起 从而可节省空间。最下面的是VTM模块。这是一个标准系统,是新一代2.8毫米的VTM模块。VTM是一个系列产品,目前Vicor已经推出几款,从2208、2408、2708一直到4708。它们的宽度是一致的,都是8毫米,高度都是2.8毫米。不同的是长度,每个模块大概相差2毫米,相应的电流从250A、300A、350A,一直到750A,没相差50A一个等级。具体应用时,可根据靠电的电流需求来选择模块。VTM模块还有一个很独特的设计,所有产品,从最小到最大,它们的P角都是兼容的,这样就非常便于模块的更换。且模块的摆放也非常灵活,既经济又实用。杨周介绍说,VTM模块未来它将是受众最多,使用最灵活的一个模块。
机架服务器功率的需求变化
近年来,整个机架服务器之间的功率是明显变化的。如图所示,2000年-2010年基本上没有什么变化,大概10千瓦左右;2010年开始机架功率往上涨,尤其2015年以后功率迅速往上涨。2015年前后,也正是
CPU
、
GPU
、
AI
芯片
对算力、功率等需求迅速增长的时间点。2020年机驾功率高达200千瓦,按照以前的功率密度计算,可能需要数十倍的空间,这对供电系统是非常大的挑战。
传统的
电源
方案是CRPS
电源
,是技术盒子。虽然它的功率密度也在提升,但Vicor认为这种功率的提升速度有点儿慢,他们希望用一些更高功率密度的模块去重新摆放这个机架上的
电源
方案。针对机驾服务器功率提升的
电源
解决方案,Vicor可提供两种方案,第一种是支持400V/800V转48V的高压直流
电源
模块BCM6135和可实现5kW功率输出、并支持并联的交流直流
电源
模块PFM9280。
杨周介绍说,BCM6135模块其实是Vicor分比式
电源
架构的典型应用,是固定比例转化模块。PFM9280模块尺寸较小(92mm*80mm*7.5mm),可以灵活布局,包括机架侧面、背面甚至液冷
电源
盒中。杨周特别强调说:“交流目前传统采用的还是单向方案,即220V转12V转48V。但Vicor认为,高密度情况下,不应该再用单向的220V,而应该是三向的交流电直接输送。Vicor就是把模块的功率密度提升,能够给整个计算系统留更多的空间做其它的算力,让更小的空间提高更高的功率。”
Vicor在功率密度和电流密度方面有非常强的竞争优势。在功率密度,从2012年-2019年,每立方英寸的瓦特数从0.8-10千瓦变化显著,超过10倍的增长。负载点的电流密度自2012年以来同样有明显增长,从每平方毫米0.8安培增长到2A。从AC端到POL,Vicor在48V是有一套整体的解决方案,并且在48V系统架构上也有创新,如分比式架构,以及ZCS、ZVS、SSIC等技术,可以保证Vicor能够提供最优效率的解决方案。具体在数字上的表现,如果整个系统转换到48V,预期能有30%效率的提升。特别是对于传输损耗,以及最后一英寸,效率提升明显。传统的12V,12V到48V电流增加了4倍,损耗会按平方减少16分之一传输损耗;还有AD-DC,传统的是AC到12,Vicor直接转到48V,效率整体有30%的提升。正是由于Vicor
电源
产品负载点电流密度性能好,所以英伟达、谷歌等头部公司都比较早的就采用了48V的方案。
Vicor前瞻趋势:48V/12V灵活双向转换
目前
AI
芯片
中的OAM卡、NVIDA加速卡,包括整体
AI
边缘计算的服务器,都已经升级到48V。不过虽然48V是大趋势,但传统数据中心的服务器上,90%还用的是12V。杨周也表示,从48V降压到12V,12V升压到48V,这个市场将长期存在。因此,现在48V和12V还要混搭一起用。Vicor正是看到这样的市场机会,推出了双向48V/12V转换器NBM2317。该产品最大的特点就是在不依赖外围线路的前提下,实现了高功率密度的48V/12V的自动转换,效率可做到97.9%、98%,并且可以对现在市场上其他
电源
模块有70%的功率密度的提升。随着基础架构的发展,既可支持其中一项标准,也可两项都支持。
这是
英特尔
的OAM加速卡,它这个上面就用到了NBM2317,48V转12V,750瓦,我们很快会出来1000瓦的产品。这样的一个模块如果放这儿,如果12V能解决,其他的12V传统方案去解决就好了。
Vicor早在2007年就开始推48V。默默耕耘十几年。Vicor有两大市场方向,一是数据中心,二是
汽车
。在数据中心,Vicor
电源
产品主要有三大类:
第一大类是Removing the last inch,48V的靠电,就是给智能机器人
CPU
、
GPU
核心供电。
第二大类是48V和12V的桥接。Vicor提供专门用于桥接的模块。
第三大类是高压电直流电模块和AC/DC直流电模块。
自动驾驶是
汽车
的未来趋势。自动驾驶要的功率高,且功耗可能高达几千瓦。单凭12V总基线是应付不了的。所以Vicor认为,
汽车
未来的方向也是48V。陈新军介绍说,Vicor在主推以48V准线为核心的
电源
方案,并且从架构上已经有一套方案来推动,创新点便是小而美,极致的轻,效率极致的高。
Vicor成立于1981年,今年是公司成立的第40周年立。公司总部在美国马萨诸塞州安多弗的一个小镇上,在那边有两个全自动化的工厂。孟介绍说,Vicor工厂的产能一直在扩,因为市场需求不断增加,2018年产能扩到之前的6倍。现在Vicor又在扩建一个新的工厂,增加8500英尺的面积。
据介绍,Vicor非常注重创新,研发费用占到每年营收的16%左右。同时拥有170多个专利,在配电网络、控制系统、组件、封装方面都是有很多的创新。Vicor的竞争优势根基正是来源于其
电源
系统创新的四大支柱:
创新的架构。分比式合封
电源
架构,改变
GPU
及
AI
处理器
供电的方法。
先进的
电源
拓。零电流开关、零电压开关,电压转换拓扑。
控制系统。
独特的封装系。
陈新军表示,Vicor还在持续创新。在高压直流方向,把模块效率做得更高、体积做的更小、功用更适合业务,未来进一步提升PUE;在新材料方面,Vicor也有很多创新,且未来材料方面的创新将是Vicor模块的主力;在架构上,除了封装技术、材料技术之外,核心技术都是Vicor自己在做,目前
芯片
的控制器,已经迭代更新到第四代,很明显是比之前更薄,未来还将继续创新。
杨周补充说到:“未来在垂直供电解决方案我们还有很多创新的设计,大家可以看到Vicor在这个领域越做越极致。”
— 结束语 —
近年来,市场上的
电源
需求非常大,原有的12V配电架构已经不能满足终端产品对电力的需求。为解决配电电压的问题,就要将12V配电电压向提升到48V配电电压。但提高配电电压并不是那么简单就能解决的。经过多年研发创新和实践验证,Vicor通过高性能、高密度的模块化
电源
解决方案能够很好的解决配电电压提升的难题。
Vicor一直是产业生态化建设的有益推动者。从技术方式、架构和体系,Vicor一直在积极的为生态贡献着自己的技术。Vicor开源的创新都是开放的,比如说48V到
AI
芯片
是两级的解决方案,都是开放的的,不过里面的
芯片
技术不开放。与此同时,Vicor积极和合作伙伴交流,会适配做一些标准化的产品。陈新军特别强调说,在生态化发展,Vicor做的最有价值的就是把
电源
简单化,、模块化、标准化,让
AI
芯片
设计工程师更把更多的精力放在
芯片
本身的设计和创新上。
关键词:
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