解讀 | 云計算中電源解決方案的四大趨勢

近20年，以數(shù)據(jù)為基礎、以網(wǎng)絡為媒介、以計算為核心的科技急速發(fā)展，全球進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當于過去數(shù)世紀的數(shù)據(jù)量總和，并持續(xù)以指數(shù)級的數(shù)量增加。其中，云計算取得了令人矚目的成績，從2006年亞馬遜首次推出云服務，到如今逐漸成長為萬億規(guī)模的巨大市場，云計算在為企業(yè)和個人提供數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能的同時，自身也實現(xiàn)了持續(xù)高速的增長。據(jù)思科預測，到2021年全球數(shù)據(jù)中心流量將增長到每年20.5ZB，而95%的數(shù)據(jù)中心流量將是云流量，云計算正逐漸成為全網(wǎng)流量增長的核心推動力。

圖 | 數(shù)據(jù)中心示意圖

與此同時，承載云計算應用的各類型數(shù)據(jù)中心與私有服務器對于數(shù)據(jù)處理的需求與速度更是到達了前所未有高度。傳統(tǒng)的基于CPU 的軟件處理和加速，已經(jīng)無法滿足這種新型的基于人工智能和大數(shù)據(jù)的應用。于是，為了滿足未來智能世界對于計算加速的需求，各大廠商分別推出了基于GPU （圖形處理器），FPGA （可編程邏輯門陣列），以及ASIC（專有集成電路）芯片的硬件加速系統(tǒng)，用于計算加速、存儲加速以及通訊加速領域，比如賽靈思就數(shù)據(jù)中心應用推出的ALVEO系列等。

如今，數(shù)據(jù)中心和云計算對于加速卡的應用越來越廣泛，各類計算加速芯片與加速硬件對其供電系統(tǒng)的性能需求也正不斷升級。以FPGA為例，幾年前市場上FPGA的工藝制程是28nm，后來迅速推廣到了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)用到了最先進的7nm制程。更先進制程的使用，對于核電壓的要求越來越低，同時使得在同樣的尺寸內(nèi)可以加入更多的邏輯單元，邏輯單元一多，芯片的整體功率就越大。此外，加速芯片廠商為了提供更復雜功能的加速芯片，在應用更先進的工藝的同時，還會集成更多的功能單元，比如集成加速邏輯單元以外的ARM處理器、DSP，以及專門優(yōu)化過的加速引擎。

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圖 | 加速芯片供電架構(gòu)示意

這種越來越高的集成化將會使加速芯片的電源解決方案跟著變越復雜，它需要不同電壓、不同路的多路的輸入。此外，為了應對各種各樣不同的加速應用，就同一個系列下的芯片，加速芯片的廠商會針對不同的應用做出不同的優(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。更進一步，即便是同一款加速芯片，它在不同應用場合使用到的內(nèi)部的邏輯資源也是不同的，有的內(nèi)核資源利用率是80%，那么它對核供電的電流的要求就基本要求100%，比方說滿載是120A，那么它可能就需要用到120A；而有的內(nèi)核資源利用率是50%，那么對于核供電的電流要求也會下降，同樣是120A的滿載，它可能只需用到50A/60A。

綜上：隨著云計算應用的不同，電源解決方案的電壓軌數(shù)量，電流大小將各不相同，呈現(xiàn)大動態(tài)的趨勢。下面總結(jié)了關于加速硬件電源方案的四條趨勢：

1.高響應Agility

高響應需要從兩個角度來理解，首先電源的解決方案需要有更高的響應速度以適應更大的動態(tài)跳變，其次整個電源解決方案的開發(fā)速度需要非?？?，以適應更短的加速硬件的研發(fā)周期。

2.高效率Efficient

高效率就是我們需要提供高效率的解決方案，以應對更加緊湊的硬件設計。

3.集成化Integration

集成化也需要從兩個維度來理解。首先，由于加速卡的設計非常緊湊，密度越來越高，我們需要用全集成的模塊化設計（集成晶圓、功率管、電感和阻容元件等）來替代分立方案，從而減少電源硬件的占板面積，為內(nèi)存、HBM（High‐bandwidth Memory）等其他功能模塊騰出空間。其次，集成化還體現(xiàn)在電源的多路輸出方面，換句話說，我們要在同一個封裝內(nèi)加入多個輸出，這種多路輸出會靈活地匹配日趨復雜、集成度更高的加速芯片。

4.可拓展Scalable

云計算行業(yè)正處于加速發(fā)展的過程中，其間不免會涌現(xiàn)出一批新興的應用，這就要求我們的電源方案要足夠靈活，而可拓展的電源方案可以更靈活搭配多種加速環(huán)境和應用，促進云計算行業(yè)迅速落地。

面對行業(yè)變革和技術挑戰(zhàn)，MPS大電流模塊產(chǎn)品經(jīng)理楊恒表示，“近日MPS推出的新一代大電流低電壓電源模塊解決方案，直擊云計算加速供電系統(tǒng)的痛點，可完美契合上述四大發(fā)展趨勢。”

首先，MPS獨特的COT（constant-on-time）以及MCOT(multi-phase constant-on-time) 控制方法，可以實現(xiàn)大動態(tài)負載下的高速響應 (Agility)，減少輸出電容的數(shù)量，減低客戶的BOM成本。以MPM3695-100四模塊并聯(lián)應用為例，如下圖所示，對于12V輸入，0.75V輸出，0A-250A的負載大動態(tài)切換（100A/us），MPS電源模塊可以實現(xiàn)不超過+/-3%的輸出電壓偏移，從而解決各類加速芯片對于輸入電壓精度的高要求以及由于計算負載切換而產(chǎn)生的大動態(tài)電流的矛盾。

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圖 | MPM3695-100四模塊并聯(lián)大動態(tài)響應

（VIN=12V; VOUT=0.75V; 100A/us切換速率；0A-250A動態(tài)切換）

其次是針對加速芯片集成性對于供電系統(tǒng)的設計提出的挑戰(zhàn)，比如多路電源輸入，同時對于電壓、電流的要求各不相同，占板面積要盡量小等。MPS推出了多種多路輸出電源模塊，采用先進封裝技術集成了多路輸出的功率芯片與被動元器件。以業(yè)界首款四路電源模塊MPM82504為例，如下圖所示，該產(chǎn)品為四路25A電源模塊，同時可實現(xiàn)并聯(lián)兩路、三路、四路，也可以多個MPM82504模塊并聯(lián)，實現(xiàn)更靈活的輸出組合。

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圖 | MPM82504四路輸出可拓展電源模塊，支持多路并聯(lián)及多模塊并聯(lián)

值得一提的是，MPS具有多種全集成多路輸出電源模塊，包括雙路輸出、四路輸出產(chǎn)品，為更多的應用提供了完整解決方案。下圖展示MPS多路輸出模塊的規(guī)格，其中雙路輸出模塊MPM3690系列產(chǎn)品有三種輸出規(guī)格可選，它的雙路EN/PG管腳可用作時序控制。四路輸出模塊MPM81204是一款雙路 12A / 雙路 5A 電源模塊，具有高速動態(tài)響應，外部元件極其簡單，非常適合5G 信號收發(fā)器等應用。當然還有曾榮獲“年度電源管理/電壓轉(zhuǎn)換器”稱號的MPM54304（首款帶數(shù)字電源管理功能的電源模塊），以及它的升級款MPM54504-四路5A電源模塊等一系列產(chǎn)品。

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圖 | MPS多路輸出電源模塊規(guī)格

最后要強調(diào)的是，多路可并聯(lián)電源模塊為加速芯片日益增加的電流需求提供了可拓展性（Scalable），為不同場景下多路電源及不同電流的需求提供了單一模塊的解決方案，進一步減少了客戶新產(chǎn)品的研發(fā)成本及時間，同時可快速匹配加速芯片廠商對于不同的加速場景所推出的各類芯片。由于各個芯片對于供電電流和電壓軌數(shù)量各不相同，加速硬件廠商需要針對不同的加速芯片重新設計電源方案，增加了產(chǎn)品研發(fā)時間和成本。為了實現(xiàn)加速硬件對于不同加速芯片供電方案的快速設計，MPS推出了多款可拓展的電源模塊。這樣，加速硬件設計師就可以重復使用單一電源模塊的設計，通過并聯(lián)電源模塊的多個輸出或并聯(lián)多個模塊來實現(xiàn)輸出電流的拓展。以MPM3695-100 為例，該產(chǎn)品可以由單模塊100A輸出擴展為：雙模塊200A，3模塊300A， 最多8模塊并聯(lián)800A輸出等供電方案，以支持更廣泛的系統(tǒng)要求。下圖展示了該模塊在8模塊并聯(lián)的應用。

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圖 | MPM3695-100 8模塊并聯(lián)800A解決方案

結(jié)束語

本文主要分析了云計算中加速芯片供電方案面臨的挑戰(zhàn)和尋求的解決方案舉例。事實上，用電量一直是云計算所依托的數(shù)據(jù)中心面臨的一大難題。據(jù)悉，數(shù)據(jù)中心2020年用電量約占全社會總用電量的2.7%，隨著數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)規(guī)模的增加，這一占比將持續(xù)上升。在可預見的未來，如何在不影響算力的前提下降低總體用電量，將成為系統(tǒng)服務商以及芯片提供商努力的方向。
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