AI供電方案，助力突破高能耗和散熱難題

荃盈合眾周先生

隨著AI技術(shù)的廣泛應(yīng)用，從智能手機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車(chē)，從智能家居到工業(yè)自動(dòng)化，AI供電芯片的需求量正呈爆炸式增長(zhǎng)。它不僅為AI系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且還肩負(fù)著節(jié)能減排、降低能耗的重任。

然而隨著算力需求的提升，AI設(shè)備的能耗、散熱等問(wèn)題凸顯，這無(wú)疑給AI供電芯片帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)高效率、低功耗、持續(xù)穩(wěn)定的供電成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

能耗“突飛猛進(jìn)”：算力比拼加速，能耗日益攀升

算力核心設(shè)備由傳統(tǒng)的CPU向GPU的轉(zhuǎn)移，不僅提升了計(jì)算效率，更使得復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和深度學(xué)習(xí)模型得以實(shí)現(xiàn)。然而，高性能往往伴隨著高能耗。在追求更快計(jì)算速度的同時(shí)，GPU的能耗也在不斷上升，給數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器帶來(lái)了巨大的能源壓力。荷蘭數(shù)據(jù)科學(xué)家Alex de Vries在專(zhuān)注能源研究的學(xué)術(shù)期刊《Joule》上發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，按照當(dāng)前趨勢(shì)，到2027年，整個(gè)人工智能行業(yè)每年將消耗85至134太瓦時(shí)的電力（1太瓦時(shí)=10億千瓦時(shí)）。

散熱“力不從心”：高性能AI芯片的燙手難題

高性能的AI芯片在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時(shí)有效地散熱，不僅會(huì)影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還可能縮短其使用壽命，制約AI算力的進(jìn)一步增長(zhǎng)。未來(lái)，單顆高性能AI芯片的熱設(shè)計(jì)功耗將突破1000W，達(dá)到了傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱的極限。因此，各大公司紛紛投入研發(fā)，探索更有效的散熱解決方案，例如行業(yè)巨頭們正在推進(jìn)的液冷技術(shù)等。

可靠性“搖擺不定”：大模型訓(xùn)練，AI芯片一損俱損

AI應(yīng)用對(duì)芯片的性能與可靠性要求非常高。為了完成一個(gè)大模型的訓(xùn)練任務(wù)，通常需要幾千張甚至幾萬(wàn)張計(jì)算卡進(jìn)行級(jí)聯(lián)，提供充足的算力。如果有一張卡出了問(wèn)題，那么整個(gè)大模型的訓(xùn)練都會(huì)受到影響。如何定位到失效的板卡也是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，嚴(yán)重影響訓(xùn)練的效率。

AI電源解決方案的四大突破，助力化解上述難題

隨著傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通過(guò)集成AI技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)，MPS也在快速迭代電源方案，為行業(yè)和客戶提供高品質(zhì)、可靠的AI電源解決方案，適用于AI 推理卡、訓(xùn)練卡、邊緣計(jì)算設(shè)備、超算服務(wù)器等各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1：MPS AI硬件電源解決方案

圖2：MPS典型AI電源應(yīng)用

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突破一：體量更緊湊、功率密度更高、配電損耗更低

MPS的AI電源方案采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，體量更緊湊，配電損耗更低，使數(shù)據(jù)中心在給定機(jī)柜范圍內(nèi)的計(jì)算能力得以提升。

相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的方案，MPS的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)在主板上占用的空間更小，這樣所有處理器能更緊密地結(jié)合為一體，在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的計(jì)算能力。下圖是MPS新型開(kāi)放式框架電源模塊Intelli-ModuleTM的3D概念圖，展現(xiàn)了高度集成的數(shù)字多相電源模塊。

圖3：高度集成的Intelli-ModuleTM

MPS 專(zhuān)注改善數(shù)據(jù)中心的功率密度，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心面臨著人工智能等新計(jì)算應(yīng)用的更大功率需求。以創(chuàng)新手段提升功率密度意味著減小配電損耗，從而降低數(shù)據(jù)中心的總運(yùn)營(yíng)成本、單次計(jì)算輸出的總成本以及碳排放。而機(jī)柜數(shù)量減少后，數(shù)據(jù)中心的物理占用空間也能最大限度地縮減。

130A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22167-130是MPS Intelli-ModuleTM系列的最新產(chǎn)品，它將 DrMOS、電感和其他無(wú)源元件集成到單個(gè)封裝中，不僅占位面積小，功率密度還提高了2.5 倍。而且，它允許將多相穩(wěn)壓器（VR）放置在更靠近處理器的位置，從而減少了配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的損耗（見(jiàn)圖4）。

圖4：Intelli-ModuleTM與 DrMOS 的占板面積比較

多個(gè)MPC22167-130是MPS Intelli-ModuleTM器件可與第一級(jí)電源模塊配合使用，以支持端到端的電源解決方案，同時(shí)能夠滿足AI 處理器的高功率要求。下圖展示了采用MPC22167-130實(shí)現(xiàn)的參考設(shè)計(jì)示例。

圖5：具有 48V 輸入和 0.8V 輸出的 2000A OAM 外形規(guī)格參考設(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于OAM 形態(tài)的 AI 處理器，它采用 MPC22167-130支持 2000A 的最大輸出電流 (IOUT)，其中第二級(jí)方案的設(shè)計(jì)采用了MPC22167-130 與 數(shù)字16 相控制器 MP2891的組合方案。

突破二：電源轉(zhuǎn)換效率更高、頂部散熱設(shè)計(jì)兼容液冷

為了解決高功率密度電源模塊中的散熱問(wèn)題，MPS多管齊下：一方面優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)，提升電源轉(zhuǎn)換效率，降低功耗，同時(shí)減少熱量產(chǎn)生，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，將模塊做成頂部散熱，方便散熱器的設(shè)計(jì)；不僅如此，器件還能兼容液冷的應(yīng)用，借助液冷增強(qiáng)服務(wù)器散熱效果，從而進(jìn)一步發(fā)揮電源的極致性能，使單機(jī)柜功率大幅提升。

圖6：MPS磁芯設(shè)計(jì)對(duì)電源模塊效率的影響

突破三：嚴(yán)密的仿真計(jì)算、嚴(yán)格的出廠測(cè)試

AI芯片批量的一致性和可靠性是非常重要的，沒(méi)有多年的經(jīng)驗(yàn)積累和嚴(yán)格的市場(chǎng)檢驗(yàn)，是磨礪不出好的AI電源的。MPS在設(shè)計(jì)階段，會(huì)通過(guò)仿真和理論計(jì)算，確定所有器件的工作條件，從而選取合適的電子器件。采用高電流等級(jí)、高耐壓的電子器件，內(nèi)部電感為MPS專(zhuān)利設(shè)計(jì)，飽和電流高。而在研發(fā)階段，MPS則采用不同批次的模塊產(chǎn)品進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，出廠前會(huì)逐項(xiàng)測(cè)試模塊電氣性能及參數(shù)，最后還會(huì)進(jìn)行老化測(cè)試及前后參數(shù)對(duì)比分析。

圖7： MP2891 和MPC22167-130 的 SIMPLIS 模型

圖8：SIMPLIS 仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的比較，誤差僅為 5mV

突破四：實(shí)用的仿真工具、專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持、靈活的供應(yīng)鏈管理

MPS能夠提供很多好用的前期評(píng)估工具，如PDN仿真工具、仿真模型、靈活的GUI等，在前期和后期都能協(xié)助客戶更方便地進(jìn)行方案測(cè)試，確保精準(zhǔn)落地。

圖9：由 MPS 支持的用戶測(cè)試可視化界面（GUI）

同時(shí)，MPS的工程師也將全程提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持，幫助客戶及時(shí)解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的難題。另外，MPS采用供應(yīng)鏈multi-source管理，提高供應(yīng)鏈的靈活性和自主性，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，以保證充足的產(chǎn)能，支撐AI對(duì)芯片大規(guī)模用量的需求。

深圳市荃盈合眾電子有限公司是一家專(zhuān)業(yè)代理銷(xiāo)售功率半導(dǎo)體器件的公司，目前代理的產(chǎn)品線包括梵塔、AOS、GaNpower、Hunteck、CASS、Mospec、元芯、茂睿芯、等業(yè)界知名電源器件品牌，產(chǎn)品包括MOSFET、IGBT、可控硅、整流橋、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管、電源管理IC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC等產(chǎn)品。

產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于通信電源、變頻器、UPS、逆變電焊機(jī)、充電樁、電動(dòng)車(chē)控制器、照明、舞臺(tái)燈光音響、AC/DC、DC/DC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。