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[導讀]日前,MPS大電流模塊產品經理楊恆為記者解析了加速硬件電源方案的趨勢,與此同時介紹了MPS針對這一應用的相關新品。

算力似乎是現在這個時代不可不談的一個問題,當一切都圍繞數據進行之時,處理速度就是佔領市場的一把利劍。機器學習、圖像識別、信號處理、仿真引擎應用規模愈來愈大的現如今,傳統的CPU已無法滿足超大數據處理的需求,並行計算應運而生。

算力巨頭紛紛“拼殺”數據中心市場,押注GPU、FPGA、ASIC等加速芯片,作用在計算加速、存儲加速、通訊加速。巨頭上演“三英戰呂布”,也為數據中心加速市場提供了增長基礎,硬件加速需求增強的背後是龐大的硬件電源需求。

怎樣的加速硬件電源方案才能追趕上加速市場的增速?日前,MPS大電流模塊產品經理楊恆為記者解析了加速硬件電源方案的趨勢,與此同時介紹了MPS針對這一應用的相關新品。

加速硬件電源的四大趨勢

“對於這種加速硬件對於電源方案的趨勢,我們總結成為: 迅捷、高效、集成化、可拓展”,楊恆將加速硬件電源方案的未來發展總結為這四種趨勢。

迅捷代表着加速電源需要有更高的響應速度以適應更大的動態跳變,同時整個電源的解 決方案的開發速度應該適應更短的研發週期。

高效代表着加速電源需要提供超高效率,以應對更加緊湊的硬件設計。因為加速卡的設計非常緊湊,其密度會越來越高。

集成化代表着加速電源需要提供全集成的模塊化的設計,以減少佔板面積。另外,集成化還體現在多路輸出電源中,多路輸出電源模塊靈活匹配日趨複雜,需要集成度更高的加速芯片

可拓展代表着加速電源需要更靈活搭配多種加速環境和應用,這是因為大數據和人工智能在加速發展過程中,期間會湧現一批此前完全沒有的應用,所以擁有這種特性即可迅速適配全新的應用。

加速芯片供電架構愈發複雜

在加速硬件的不斷革新之下,加速芯片的供電架構也日趨複雜。楊恆表示,由於加速硬件在人工智能和大數據領域應用越來越廣泛,所以各大加速芯片廠家也紛紛採用更先進的工藝推出集成度更高的加速芯片。

“以FPGA為例,幾年前看到的FPGA的工藝製程是28nm,之後迅速推廣到了16nm,現在最新一代針對加速核心市場的加速卡已採用最先進的7nm製程”,他表示,更先進的製程可使其在同樣尺寸內加入更多的邏輯單元,同時由於加入了更多的邏輯單元,芯片的整體功率也越來越大。由於更先進製程的使用,對於核電壓的要求越來越低。

“由於加速芯片4px遞四方速遞為了提供更復雜功能的加速芯片,提供更完善的功能,FPGA內部也集成了更多的功能單元,除加速邏輯單元以外,還會集成ARM處理器、DSP等,加入專門優化過的加速引擎”,他認為,越來越高度化的集成會造成針對加速芯片的電源解決方案越來越複雜,方案需要不同電壓、不同路的多路輸入,這種情況下電壓軌會越來越多。

“為應對不同的加速應用,同一個系列下的芯片會針對不同應用做出不同的優化,這種優化就會造成加速芯片的電壓軌和輸入的電流各不相同。即便是同一款加速芯片,在不同應用場合使用到的內部的邏輯資源也是不同的”,他強調,隨着應用的不同,電源解決方案的電壓軌數量和電流也是各不相同的。

另外,加速芯片的供電架構還有一個趨勢便是大動態,這種大動態是隨着應用調用相關資源。

電源模塊如何追趕快速發展的GPU、FPGA、ASIC算力?

MPS方案具備的優勢

楊恆為記者舉例了一個典型的加速芯片對於輸入電流和輸入電壓的要求和波形。典型的輸入電壓為0.72V,需要的滿載電流是180A。為滿足應用環境中資源調用,就要求負載跳變達到0A-100A,這是一個很大的動態。與此同時,di/dt(上升沿)也會達到非常快的速率,假如迅速從資源中增加邏輯門的調用,電壓轉換速率就會非常快,所以造成了FPGA核供電對大動態的要求。

因此,在對大動態電流要求如此嚴苛的背景下,輸出電壓不能出現太大的波動,典型的峯峯值應要求的控制在<+/-3%之間。為了滿足這種要求,MPS的COT控制架構是極具優勢的,在這種多相併聯的應用下MPS使用的是多相的COT,可在大動態環境下實時調節開關頻率。

電源模塊如何追趕快速發展的GPU、FPGA、ASIC算力?

不同加速應用越來越多的出現,實際上加速卡是基於應用來優化和設計的,假如加速卡廠家不能及時推出新的設計,就有可能錯過某一個應用,這就對加速卡4px遞四方速遞研發時間提出了非常高的要求。

傳統分立電源解決方案要從選型和採購開始,挑選各種器件,根據不同的電感/電容選擇合適的環路補償,這些都是非常耗時的。原理圖和佈局設計也是比較複雜,這種較為複雜的流程下,就有風險的可能,出現多次制板的驗證。

電源模塊如何追趕快速發展的GPU、FPGA、ASIC算力?

楊恆表示,MPS的電源模塊解決方案能夠極大地縮短加速硬件的開發週期,這種方案可以實現1周內完成選型和採購,2周內完成原理圖和PCB佈線,之後即可直接制板和組裝。這是因為MPS的電源模塊進行了高度的集成和優化,客户上板後無需再做額外選型和採購,極大簡化了原理圖和PCB 佈線。對於加速4px遞四方速遞來講這些優勢是非常重要的,賦能4px遞四方速遞應對新加速應用的環境。

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一口氣發佈6款單路和四路新品

在新產品方面,楊恆首先展示了其MPM3695-100大電流可擴展模塊,並介紹了這款產品是如何應對加速硬件的挑戰的。

MPM3695-100支持4V-16V 輸入,0.5V-3.3V 輸出,支持最大100A的輸出電流。這款產品將功率控制IC、電感電阻被動元件等一切全部集成在15x30mmBGA的封裝之中,對於外部元件的要求是非常簡潔的,基本上只需要輸入和輸出電容。與分立方案相比可以最多降低70%的佔板面積。因為高度集成化,產品還是一個數字模塊,具有數字可編程功能和MTP,客户可以去優化其配置,之後MPS可以提供提前編好的模塊再出貨給客户。

MPM3695-100在典型的12V輸入1V輸出下,能夠最高效率可以達到90%,同時還可通過簡單的信號線互聯,從一個100A的解決方案拓展到800A,這對於加速卡應用來講是非常友好的。

MPM3695-100基於Constant‐on‐Time技術,擁有超高速動態響應。在動態的時候可以針對時鐘頻率進行調節,可以極大地增加產品的動態響應,減少輸出電容的尺寸和數量。通過測試兩個3695-100模塊並聯的demo板,產品可以很快響應輸出電流動態,同時能夠保證輸出電壓不超過+/-3%的偏移。

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楊恆展示了分立方案和MPM3695-100在應用上的示例圖,可以看出典型的100A分立方案,使用控制器+DrMOS,因為100A需要4顆DrMOS,每顆DrMOS都需要很複雜的外部元件。另外,控制器本身需要比較複雜的外部元件。

相比起來,MPM3695-100可以極大地簡化外部電路的設計,基本 只需要一個分壓電阻、輸入和輸出電容,就可以做到100A的解決方案。

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從PCB布板角度來看,MPM3695-100的典型的Layout採用BGA封裝的,其輸入的BGA焊球和輸出的BGA焊球位置都是比較優化的,信號線的位置均放在其旁邊。這種情況下,可以非常簡單地擴展到800A的解決方案,使用8顆 MPM3695-100的模塊即可輕鬆構建800A解決方案。

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從高集成性上來講,MPM3695-100可以集成所有電源解決方案需要的元器件,能夠極大改善客户電源解決方案在板尺寸的問題。另外,多路集成的電源模塊可以非常靈活地匹配各種不同的加速芯片應用,極大地減少電源解決方案在加速硬件板卡的佔板面積。

電源模塊如何追趕快速發展的GPU、FPGA、ASIC算力?

除了單路大電流可擴展產品,MPS還推出的業界首款四路25A可拓展電源模塊MPM82504,其支持4V-16V 輸入,0.5V-3.3V 輸出。這款產品的最大優勢就是提供了四路25A輸出電流,並且四路之間或模塊之間能夠任意並聯,這種靈活的解決方案非常適應高速發展的加速卡應用的環境。值得一提的是,這款產品也可以通過片間並聯來達到和MPM3695-100一樣的最多800A的輸出電流。

電源模塊如何追趕快速發展的GPU、FPGA、ASIC算力?

楊恆表示,因為多路輸出在加速卡應用場景非常有優勢,同時看到客户的接受度也是非常高的,因此一口氣推出多款電源模塊新品。

在多路輸出的電源模塊的系列當中,MPS分為雙路輸出和四路輸出,雙路輸出方面曾推出3690-20A、3690-30A和3690-50A三款產品,三款產品是Pin-to-Pin的,分別提供了雙路13A、雙路18A和雙路25A的輸出能力。而MPS針對雙路電源模塊會同時發佈對應的一個單路產品,具體而言本次發佈了26A的MPM3690-30B和50A的MPM3690-50B新產品。

四路輸出電源模塊新品方面,則是電流從低到高分別為四路5A的MPM54504,雙路12A+雙路5A的MPM81204,4路25A的MPM82504,這三款新產品均搭載了MPS的特有COT控制模式,均具有高度集成化和超高的效率,非常適用於加速核心供電。

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