“如今電力需求和基礎設施之間產(chǎn)生了一些錯位。數(shù)據(jù)中心,、電動汽車等算力在過去幾年有了顯著成長,，隨之帶來的是對電力消耗的極大需求，但電力傳輸總線還都停留在過去數(shù)年所創(chuàng)建的12V標準上,，向48V系統(tǒng)升級將成為解決終端需求的重要解決方案,。”日前,，Vicor市場經(jīng)理孟令沖日前在參加OCP大會時對媒體表示,，此次OCP大會上，Vicor作為唯一的一家板級電源模塊/芯片供應商,，探討了數(shù)據(jù)中心48V直流供電系統(tǒng),。
電源密度和效率還會持續(xù)增長嗎？
隨著MOSFET技術的出現(xiàn)和發(fā)展,，電源轉換效率在過去三十年中得到了極大提高,。80PLUS的標準自2007年生效之時，從黃金升級到鉑金以及如今的鈦金,，最高的半載效率要求已經(jīng)達到了96%,。
電源的效率和密度是嚴格正相關的，效率越高,，散熱就越少,，因此可以實現(xiàn)更小的體積，更小的電源損耗以及更便宜簡單的散熱系統(tǒng),，推動綠色節(jié)能的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展,。
根據(jù)Vicor給出的產(chǎn)品路線圖，2012年-2019年間,，功率密度從0.8千瓦/立方英寸提高到10千瓦/立方英寸,，負載點電流密度從0.8A增長到2A。而如果從更長遠的時間點來看,，1984年至2021年間,，電源密度提升則高達500倍之多。
但是,，由于MOSFET的性能已接近極限,，為了滿足功率、效率和密度持續(xù)增長的需求,，電源廠商開始嘗試各種各樣的創(chuàng)新,。包括采用GaN、SiC等寬禁帶器件,，更新的拓撲結等等,，但Vicor迄今為止始終堅持傳統(tǒng)的硅，公司銷售和市場副總裁Phil Davies曾經(jīng)在接受采訪時表示：“我經(jīng)常被問到公司何時會采用GaN技術,，但我們并不需要他們,。因為低壓MOSFET成本更低，品質(zhì)因數(shù)更高,，并且我們已經(jīng)利用獨有的拓撲結構實現(xiàn)了800V輸入,。因此我們迄今為止并不需要使用昂貴的，未經(jīng)廣泛驗證的GaN,?！?/p>
Vicor一方面在不斷繼續(xù)精益求精進行產(chǎn)品升級，另外則是圍繞48V系統(tǒng)提供系統(tǒng)級創(chuàng)新,，從而更全面地滿足如今高級系統(tǒng)的升級,。
無論如何，正如摩爾定律盡管困難,，但依然穩(wěn)步前行一樣,，電源技術依然在不斷利用著各種方法進步，從而滿足摩爾定律的發(fā)展,。
針對大數(shù)據(jù)中心,，Vicor的48V解決方案
大數(shù)據(jù)中心所消耗的電力幾乎都是由交流電轉換而來,。數(shù)據(jù)中心一般都有著一整套復雜的電流傳輸路徑，從交流到直流,，然后再進一步進行轉換,，給存儲器、外設,、處理器等部件供電,。
隨著視頻、圖片等數(shù)據(jù)量的激增,，目前數(shù)據(jù)中心已不能單純依托單純的CPU,，而是演變成包括GPU、FPGA,、AI處理器等異構處理,。與此同時，采用先進制程的處理器功耗越來越高,，核心電壓越來越低,，電流越來越高，根據(jù)P=I?R的公式,，電源總線上的損耗會越來越大,。這也是包括OCP成員Google、Facebook等公司在內(nèi)的企業(yè),，都將內(nèi)部電源總線升級為48V的重要原因,。
Vicor給出的計算結果顯示，如果整個系統(tǒng)轉換到48V,，效率將會提高30%,。
Vicor針對目前市場的特點，推出了包括AC/DC,、12V/48V橋接以及負載點三大部分的解決方案,，公司工程師楊周分別給予了具體解讀。
解決最后一英寸的供電
首先針對負載點,，Vicor提供了多種應對方案,，包括分比式電源架構、合封電源橫向供電 （LPD）以及合封電源垂直供電 （VPD）等技術,。
分比式電源架構將電源分解為專門的穩(wěn)壓及變壓功能,。這兩個功能可以單獨優(yōu)化、部署,，提供一個高密度,、高效率的解決方案。該解決方案不同于傳統(tǒng) 12V 多相位方案,，主要依靠開關穩(wěn)壓器和電感器的并聯(lián)陣列,，這種傳統(tǒng)方案針對大功率應用,，并聯(lián)的穩(wěn)壓器越多，整體尺寸越大,，而且處理器大電流傳輸?shù)木嚯x也就越遠,。所有這些都會使系統(tǒng)出現(xiàn)更多的損耗。
“將兩部分分開之后,，第二級不需要設計復雜的穩(wěn)壓功能，就可以實現(xiàn)更小更薄的固定比例轉換器,，更適合CPU周圍緊湊的空間要求,。”楊周說道,。
合封電源橫向供電則是指分比式的第二級電源模塊,，可以直接布置在貼近處理器的位置甚至直接布置在處理器基板上，不僅可以最大限度降低線束損耗,，同時還可以減少電源所需的處理器基板BGA引腳,。楊周表示：“傳統(tǒng)上轉換器供電需要電感，而電感由于電磁干擾問題,，不能距離CPU太近,，這就使得最后一英寸依然有較大損耗，尤其是未來電流超過1000A的時候,。LPD方案則可以解決最后一英寸的供電問題,。”目前LPD 已廣泛應用在包括 OCP 加速器模塊 （OAM） 卡及定制 AI 加速器卡中,，根據(jù)Davies提供的數(shù)據(jù),，“目前在48V AI系統(tǒng)應用中，Vicor占據(jù)了85%的市場份額,?！?/p>
根據(jù)公開資料顯示，包括NVIDIA,、英特爾,、寒武紀、天數(shù)智芯,、谷歌等國內(nèi)外公司均采用了Vicor的方案,。（下圖中黃色長條產(chǎn)品為Vicor的電源模塊）
VPD方案則是更貼近CPU的供電方案。比如Cerebras公司,，該公司采用晶圓級引擎 （WSE）,，將84 個處理單元組成一整顆處理器，可顯著降低與傳統(tǒng)插槽式單信號芯片架構相關的傳輸延時,。但一來WSE的功率高達15kW,，二來該芯片面積太大,，傳統(tǒng)的供電方案無法針對每個單元同時供電。因此,，Cerebras與Vicor合作實施了VPD方案,，將電源轉換器放置在基板下方，正對處理器電源IO的位置,，實現(xiàn)了最高密度的電源系統(tǒng),。
楊周特別強調(diào)，Vicor提供了諸多產(chǎn)品組合,，包括集成一二級的分比式電源模塊,，以及分立式方案，并且實現(xiàn)了二級模塊的Pin 2 Pin兼容,，可方便客戶根據(jù)處理器的實際耗電隨時調(diào)整模塊,。
解決12V至48V的雙向橋接
48V具有多種優(yōu)勢，但目前傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構90%以上仍然以12V供電為主,，但包括加速卡,、 OCP 加速器模塊、AI服務器,、等已經(jīng)升級到48V系統(tǒng),。
為了實現(xiàn)12V與48V的混合方案，Vicor推出了12V至48V雙向轉換方案,。該方案可自動實現(xiàn)12V至48V的雙向轉換,，無需對外圍進行任何修改，并實現(xiàn)了98%以上的轉換效率,。不僅所需的外部組件最少,，而且還可輕松并聯(lián)，獲得更高的功率級,。Vicor的橋接方案為客戶帶來更大的靈活性,，在他們應對過渡到 48V 配電時，可充分發(fā)揮新一代 AI 卡的優(yōu)勢,。最近出現(xiàn)的雙向 48V/12V 轉換器為云數(shù)據(jù)中心提供商增加了額外一層靈活性：隨著基礎架構的發(fā)展,，既可支持其中一項標準，也可兩項都支持,。
Davis此前在電話會議時表示：“Intel 和AMD正在將其推出的CPU用于48V數(shù)據(jù)中心中,，在這其中橋接芯片將有著巨大需求，五年后市場總容量將達5億美元,，但相比Intel和AMD在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心應用來說,，目前人工智能對于橋接芯片的需求依然占據(jù)主導地位。”
解決高壓DC/DC及AC/DC的轉換
機架式服務器的電源市場同樣正遇到功率密度激增的挑戰(zhàn),?！?015年以前，機架式服務器功率增長并不顯著,，但之后隨著功率的激增,，對于機架電源密度有了爆發(fā)式增長。2020年,，一個機架的功率就可能達到200kW以上,，按照以前的功率密度計算，可能需要數(shù)十倍的空間,，這給供電系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn),。”
“傳統(tǒng)基于銀盒（Silver Box）的電源密度提升速度太慢了,，Vicor要打破這個傳統(tǒng)?！睏钪苷f道,。Vicor針對一級供電提供了兩種方案，一種是高壓直流電源模塊,，支持400V/800V轉至48V,。另外一種則是交流轉直流模塊，該模塊僅為iPad大?。?2毫米×80毫米×7.5毫米）,，但可實現(xiàn)5kW功率輸出，并支持并聯(lián),。由于其尺寸較小,，因此可以靈活布局，包括機架側面,、背面甚至液冷電源盒中,。此外，楊周也表示,，目前數(shù)據(jù)中心依然在采用傳統(tǒng)220V供電,，但為了實現(xiàn)更高電源密度，應該轉向三相380V供電系統(tǒng),。
Vicor的堅持
十幾年前,，Vicor就開始圍繞48V系統(tǒng)進行研發(fā)和推廣工作，并累計投入數(shù)億美元,。如今,，已取得了顯著成績。“在48V的發(fā)展過程中,，除了明確的數(shù)據(jù)中心之外,，我們看到了包括汽車、工業(yè),、機器人,、無人機、軌道交通,、ATE設備以及LED等都開始涉足48V應用,。”孟令沖說道,。
根據(jù)Vicor最近的2021年2季度財報顯示,，主要包括48V在內(nèi)的Advanced Products產(chǎn)品線營收已經(jīng)占據(jù)了公司業(yè)務總營收的43%，該業(yè)務營收環(huán)比增長20%,，也正因此Vicor 2季度總體營收實現(xiàn)了環(huán)比7.4%的增長,，至9540萬美元。
而Vicor的長期目標則是Advanced Products產(chǎn)品營收占比達80%,，傳統(tǒng)磚塊電源業(yè)務占比將萎縮至20%,。“2026年,，Advanced Products目標市場容量將達到200億美元級別,。”Davis在財報會議中說道,。
也正是因此,，Vicor正在擴建一個新的工廠，增加8500平方英尺的面積,，預計可滿足7.5億美元年產(chǎn)值產(chǎn)能,。此外，Vicor也正在尋找新設工廠的機會,，最終實現(xiàn)15億美元的年產(chǎn)值,。
Vicor中國銷售總監(jiān)、數(shù)據(jù)中心及超級計算負責人陳新軍表示：“Vicor是一家追求極致的公司,，為了實現(xiàn)產(chǎn)品的小而美,，我們不斷改進封裝、材料,、控制技術,，從而實現(xiàn)更高的效率與功率密度。同時,，我們也在將電源應用簡單化,、標準化，使得AI公司可以更關注于芯片本身的性能?！?/p>
“世界正在發(fā)生著快速變化,，當我們開始從軍事、航空航天與國防等利基型傳統(tǒng)市場轉向汽車和數(shù)據(jù)中心等快速發(fā)展的新興市場中,，我們的競爭對手也在發(fā)生著變化,，對手已經(jīng)從傳統(tǒng)的電源供應商變成了更多的半導體公司?！盌avis說道,。“我們也必須做出一些改變,?！?/p>
在2021年股東大會上，Vicor提出了新的五層化增長策略,，包括既有客戶,、新客戶、高增長市場,、創(chuàng)新產(chǎn)品與技術以及更明晰的品牌信息,，而這一切中的絕大部分，都將圍繞著48V架構所進行,。
