圖形處理單元（GPU）和張量處理單元（TPU）是用於加速神經網絡訓練的常見加速器。它們可以處理重複性和密集型計算
，但卻異常耗電。例如，早期的AI市場主導者英偉達的DGX-1 GPU超級計算機內置8個Tesla P100 GPU，每個GPU算力達到21.2 TeraFLOP，總共需要3200W的係統總功率。最新一代的DGX-2超級計算機則內置16個Tesla V100 GPU
，每個GPU算力達2 petaFLOP，所需係統總功率達到10kW。因此

，AI市場將迅速增長以滿足不斷增長的電源需求也就不足為奇了。

 

電源設計挑戰

 

AI電dian源yuan係xi統tong設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin多duo方fang麵mian的de挑tiao戰zhan。提ti供gong千qian瓦wa功gong率lv是shi他ta們men的de第di一yi個ge挑tiao戰zhan，而er且qie效xiao率lv絕jue對dui至zhi關guan重zhong要yao。要yao知zhi道dao
，這zhe些xie計ji算suan係xi統tong是shi以yi全quan功gong率lv運yun行xing的de複fu雜za負fu載zai。活huo躍yue度du下xia降jiang，功gong率lv需xu求qiu也ye會hui隨sui之zhi下xia降jiang。係xi統tong必bi須xu在zai整zheng個ge電dian力li需xu求qiu中zhong保bao持chi盡jin可ke能neng高gao的de效xiao率lv。浪lang費fei的de每mei一yi瓦wa能neng量liang都dou會hui作zuo為wei熱re量liang消xiao散san
，並bing轉zhuan化hua為wei數shu據ju中zhong心xin對dui散san熱re係xi統tong的de更geng高gao要yao求qiu
，這zhe會hui增zeng加jia運yun營ying成cheng本ben以yi及ji碳tan足zu跡ji。

 

kongjianchengbenyezaibuduanshangsheng。xiandaishujuzhongxindoubaohanchengbaishangqiangechulidanyuan，yincishebeidaxiaofeichangzhongyao。jianxiaodangedanyuandechicun，jiukeyizaiyudaxingjiejuefanganxiangtongdekongjianzhongyingyonggengduoshebei
，congershixiangenggaodechulinenglimidu。raner，yuexiaodechicunyueyaoqiujidaditigaogonglvmidu
，bingjianxiaosanremianji。zheshidesanreguanlichengweixiayidaijianduanCPU、GPU和TPU電源設計麵臨的重大挑戰之一。

 

另(ling)外(wai)
，係(xi)統(tong)複(fu)雜(za)性(xing)的(de)增(zeng)加(jia)和(he)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)的(de)壓(ya)縮(suo)使(shi)設(she)計(ji)資(zi)源(yuan)更(geng)加(jia)緊(jin)張(zhang)。資(zi)源(yuan)大(da)部(bu)分(fen)被(bei)分(fen)配(pei)給(gei)係(xi)統(tong)關(guan)鍵(jian)知(zhi)識(shi)產(chan)權(quan)的(de)開(kai)發(fa)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)相(xiang)關(guan)的(de)電(dian)路(lu)常(chang)常(chang)被(bei)忽(hu)略(lve)
，直(zhi)到(dao)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)的(de)後(hou)期(qi)。實(shi)際(ji)上(shang)

，我(wo)們(men)隻(zhi)需(xu)很(hen)少(shao)的(de)時(shi)間(jian)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)隻(zhi)需(xu)很(hen)少(shao)的(de)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)資(zi)源(yuan)就(jiu)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)上(shang)述(shu)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，得(de)到(dao)理(li)想(xiang)的(de)整(zheng)體(ti)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，它(ta)將(jiang)是(shi)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)的(de)、高效的、可擴展的
、靈活的，並且隻需要最少的設計工作。

 

數字控製與模擬控製解決方案

 

模擬控製解決方案現在已無法應對AI市場中快速增長的電源需求。現在的電源係統更加智能，它被集成到整體解決方案中，與主CPU/GPU/TPU之間的通信也成為一項設計要求。在為AI市場設計高端電源解決方案時，數字控製解決方案將占據主導。

 

理想的控製解決方案應當兼容多種產品（例如Intel
、AMD、PMBus）

，並且因可擴展且配置靈活而易於使用。包括MPS在內的很多公司都提供了這類理想的高級控製器（參見表1）。它們提供了廣泛而準確的係統控製，同時提供詳細而精確的監測。電壓
、電流
、頻pin率lv和he故gu障zhang監jian測ce均jun可ke在zai寬kuan範fan圍wei內nei進jin行xing配pei置zhi。工gong程cheng師shi可ke以yi實shi時shi訪fang問wen這zhe些xie監jian測ce值zhi
，以yi全quan麵mian了le解jie解jie決jue方fang案an的de性xing能neng。有you經jing驗yan的de工gong程cheng師shi還hai可ke以yi通tong過guo預yu測ce分fen析xi來lai優you化hua運yun行xing時shi間jian，並bing在zai需xu要yao維wei修xiu時shi獲huo取qu更geng多duo可ke用yong數shu據ju
，從cong而er最zui大da程cheng度du地di縮suo短duan停ting機ji時shi間jian。

 

表1：高級控製器vs.模擬和數字控製解決方案

 

功率級：集成是關鍵

 

顯而易見，電源解決方案沒有功率級就無法工作
，而功率級通常會采用分立式解決方案。 分立式解決方案由驅動器IC和一對外部MOSFET組成，為三芯片解決方案。還有一種方法是將多芯片驅動器-MOSFET（DrMOS）共同封裝到一個IC解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)
，不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)的(de)係(xi)統(tong)板(ban)麵(mian)積(ji)使(shi)三(san)芯(xin)片(pian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)變(bian)得(de)不(bu)再(zai)理(li)想(xiang)
，因(yin)為(wei)它(ta)增(zeng)加(jia)了(le)有(you)限(xian)板(ban)空(kong)間(jian)中(zhong)的(de)組(zu)件(jian)數(shu)量(liang)。共(gong)同(tong)封(feng)裝(zhuang)的(de)多(duo)芯(xin)片(pian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)體(ti)積(ji)更(geng)小(xiao)，所(suo)需(xu)的(de)組(zu)件(jian)也(ye)更(geng)少(shao)；不過，其封裝內部的寄生電感仍然很高
，這會導致效率的損失，對AI等大功率應用而言也不理想。 

 

 

圖1：功率級的常用實現方法

 

與傳統的分立式和多芯片解決方案不同
，MPS提供了一種單片功率級解決方案。其功率級具有低靜態電流
、同步降壓柵極驅動器以及單個芯片上的一對上管和下管MOSFET。通過將所有關鍵元件集成在一個封裝中
，可以輕鬆控製驅動器/MOSFET
，並最大程度地減少開關節點處的振鈴。另外，封裝和板級之間的寄生電感也被大大降低。這種設計可以實現最先進的CPU/GPU/TPU設計所需的低輸出電壓下更高的效率。

 

單片功率級隻需最少數量的外部組件
，因此簡化了原理圖以及PCB布局。其基本設計可以分兩步完成：

 

1. 選擇適當數量的輸入和輸出電容器以滿足電壓和電流紋波要求；

2. 選擇一個電感器以滿足總負載電流需求。

 

圖2：傳統解決方案與高級解決方案的比較

 

這種器件的典型功率級可在各種溫度下的全負載範圍內實現出色的電流檢測精度(±2%) ，並以高達3MHz的開關頻率工作（見圖2）。在極其寶貴的空間內還可以同時提供各種可配置的故障保護功能，如過流保護（OCP）、相位故障檢測和IC溫度報告
，為設計人員提供了一種小而強大的解決方案
，還不會影響效率或瞬態響應。

 

結論

 

當今的AI係統都是通過多個高性能計算機係統來實現的
，它在很多方麵都對電源設計人員提出了挑戰。傳統的數據中心設計正迅速從通用的僅CPU解決方案演化為CPU、GPU和TPU的組合方案
，這對電源設計解決方案提出了新的、更嚴格的要求。數字控製器及其功率級解決方案帶來了靈活性和適應性，以及精確的控製

、遙測和保護功能。 它使電源設計人員能夠創建具有高效率和高功率密度的最新電源解決方案，可以滿足快速增長的AI市場當前與未來的高功率需求。

 

 

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