Le Power Distribution Network (PDN) sono la spina dorsale di qualsiasi sistema di alimentazione. Con l'aumento della richiesta di potenza del sistema, i PDN tradizionali sono sottoposti a una pressione enorme per fornire le prestazioni necessarie. Ci sono due modi principali per migliorare l'impatto del PDN sulle prestazioni del sistema di alimentazione per quanto riguarda le perdite di potenza e la gestione termica. L'opzione uno: ridurre la resistenza del PDN con cavi più grandi, connettori e piani di alimentazione della scheda madre più spessi; oppure l'opzione due: aumentare la tensione del PDN per ridurre la sua corrente per una determinata erogazione di potenza, il che può consentire una riduzione delle dimensioni dei cavi, dei connettori, dei piani in rame della scheda madre e delle relative dimensioni, del costo e del peso.
Per molti anni gli ingegneri hanno utilizzato l'opzione uno per utilizzare il grande ecosistema che è stato costruito nel corso di molti anni per i convertitori e i regolatori monofase AC e DC-DC 12 volt. Altri motivi includono la mancanza di prestazioni delle topologie di convertitori DC-DC che potrebbero convertire efficientemente tensioni più elevate in PoL (punto di carico) direttamente e il costo più elevato associato di questi convertitori e regolatori di tensione più elevati.
I moderni progetti di potenza stanno comunque volgendo dall'opzione uno all'opzione due, aumentando la tensione PDN. Ciò è dovuto all'aumento significativo della potenza del carico del sistema, dato che si stanno aggiungendo nuove caratteristiche e prestazioni più elevate. Nel caso dei data center, l'aggiunta dell'intelligenza artificiale (AI), del machine learning e del deep learning, ha fatto sì che la potenza del rack salisse di oltre il 200% nella gamma dei 20kW; i rack per server di supercomputer si stanno ora avvicinando ai 100kW o più.
Questi aumenti di potenza fanno sì che gli ingegneri di sistema rivalutino i loro PDN completi, dalla distribuzione di potenza ai rack, alla distribuzione di potenza all'interno del rack e persino i PDN sui blade dei server a causa delle CPU a corrente più elevata e dei processori AI. Quando l'alimentazione del rack era a livello di 5kW, la corrente alternata monofase al rack era la norma. La corrente alternata è stata poi convertita a 12 volt per la distribuzione ai blade del server. A livello di 5kW, la corrente PDN era di 416 ampere (5kW/12V) e la distribuzione dell'alimentazione era realizzata con cavi di grosso calibro.
Adattamento alle nuove esigenze di potenza delle applicazioni avanzate
Quando la potenza del processore nel 2015 ha iniziato ad aumentare drasticamente, la potenza del rack era salita a 12kW, quindi per un amplificatore PDN 1000 da 12V doveva essere gestita all'interno del rack. Il consorzio OCP (Open Compute Project), che ha come membri la maggior parte delle società di cloud, server e CPU, ha continuato ad evolvere il suo progetto di rack a 12 V con il passaggio dai cavi alle sbarre collettrici e a distribuire più convertitori monofase AC a 12V all'interno del rack, per ridurre al minimo la distanza PDN e la resistenza ai blade del server. Il cambiamento principale rispetto alla precedente erogazione di potenza a rack è stato il fatto che la AC monofase è stata derivata dalle singole fasi di un'alimentazione trifase al rack, a causa della maggiore potenza.
Le aziende con la capacità di costruire i propri rack e soluzioni di data center hanno iniziato a passare alla distribuzione a 48V. Questo ha ridotto il problema del PDN ad alta corrente a 250 ampere per un rack da 12kW, ma ha portato nuove sfide alla conversione di potenza del blade.
Dato che la potenza del rack si è spostata verso i 20kW e oltre, il design del PDN per rack di server continua ad evolversi nonostante l'ampio ecosistema a 12 V di componenti e regolatori di tensione multi-fornitura e a basso costo.
I tentativi di mantenere lo status quo dei sistemi legacy a 12V sono creativi su molti fronti, ma l'introduzione dell'IA nei data center con processori a >500 - 1000 ampere allo stato stazionario e con correnti di picco che si avvicinano fino a 2000 ampere rendono quasi impossibile il PDN a 12V. L'IA è tutta una questione di prestazioni e i PDN a 12 V limitano le prestazioni e la competitività.
Nell'intento di affrontare le molte sfide con i rack ad alta potenza, il consorzio OCP sta evolvendo il suo progetto di rack per ospitare un PDN a 48V.
Rapida adozione del 48V nelle applicazioni informatiche ad alta potenza
Passando a 48V dalla distribuzione a 12V si riduce il fabbisogno di corrente in ingresso di un fattore 4 (P = V • I) e si riducono le perdite di 16x (perdita di potenza = I2R). Con il passaggio alla distribuzione di potenza a 48V nei mercati dell'automobile e 5G, dell'illuminazione a LED e dei display, oltre a varie applicazioni industriali, l'ecosistema dei convertitori di potenza a 48V è in rapida espansione. Il passaggio a 48V ha un buon potenziale commerciale e c'è un numero crescente di opzioni per gli ingegneri che oggi possono sfruttare sia i sistemi a 12 V che quelli a 48 V. Tuttavia, non tutte le topologie e le architetture dei convertitori a 48V sono uguali. La differenziazione delle prestazioni è più prevalente nel mercato dei convertitori a 48V e questo è un aspetto che deve essere considerato con attenzione.
Con le alte prestazioni e l'efficienza energetica in cima alla lista dei requisiti per i rack e i data center ad alta potenza, diverse aziende stanno passando alla corrente alternata trifase a 48 V, per la distribuzione ai blades. In alternativa, si può utilizzare la distribuzione ad alta tensione DC (a 380V, derivata da un'alimentazione trifase rettificata) all'interno del rack e diverse società di High-Performance Computing (HPC) stanno utilizzando i PDN HVDC per rack fino a 100kW.
Poiché i PDN che alimentano i blade stanno passando a 48V, è necessaria una modifica della conversione di potenza sul blade. Si tratta di un'area di cambiamento affascinante, poiché si stanno introducendo molte alternative nell'architettura, nella topologia e nell'imballaggio dei convertitori e dei regolatori DC-DC.
L'importanza delle architetture e delle topologie di potenza nell'High-Performance Computing
L'uso del 48V è una novità per l'applicazione server del data center, ma è comune in molte applicazioni di comunicazione come router e switch di rete. Ciò è dovuto all'uso di sistemi di batterie di backup ricaricabili al piombo acido –ve 48V per alimentare le apparecchiature di telecomunicazione.
L'architettura comune tradizionalmente utilizzata in questi sistemi è stata chiamata Architettura Intermedia dei Bus (IBA). L'IBA consisteva in un convertitore bus isolato non regolato per convertire i -ve 48V a +12V che veniva poi alimentato ad una banca di regolatori buck multifase per gestire la conversione a 12V e la regolazione per i punti di carico. Alcune delle società di cloud computing e di calcolo ad alte prestazioni (HPC) hanno copiato questa architettura inizialmente per i loro sistemi a 48V, ma con l'aumento della potenza e la diminuzione della tensione al PoL a 1V e sotto, sono state cercate architetture e topologie alternative.
L'architettura del sistema di alimentazione, le topologie di commutazione e il packaging sono fondamentali per un design ad alte prestazioni e ad alta densità che guida le prestazioni complessive del sistema di alimentazione. Con l'aumento delle correnti dei processori AI e CPU, la densità della soluzione di erogazione di potenza al PoL sta diventando l'elemento più critico nelle applicazioni AI, a causa della resistenza PDN tra il regolatore e il PoL.
Le regole del gioco sono cambiate
I più recenti processori AI allo stato dell'arte hanno correnti di stato stazionario di quasi 1000 ampere, con correnti di picco che raggiungono i 1500 - 2000 ampere. Con una tipica resistenza PDN dall'uscita di un regolatore buck multifase convenzionale al processore di 200 - 400 µΩ, ciò comporterebbe perdite di potenza nel pcb di 200W - 400W a stato stazionario (P = I2R) che è troppo elevata per qualsiasi sistema da gestire. Le perdite di PDN sono ora il fattore dominante nel calcolo dell'efficienza e delle prestazioni del progetto del regolatore DC-DC. L'unica soluzione a disposizione degli ingegneri, poiché si tratta di un problema di punto di carico e non si può considerare una tensione più alta (le tensioni PoL stanno diminuendo rapidamente per consentire il mantenimento della legge di Moore), è di ridurre la resistenza PDN. Questo può essere ottenuto posizionando il regolatore il più vicino possibile al processore. Nel caso di un regolatore buck multifase, tipicamente sono necessarie 16 - 24 fasi per supportare l'alta corrente del processore AI. Questa non è una soluzione ad alta densità di corrente e non risolve il problema della perdita di potenza del PDN.
Che cos'è l'architettura di potenza fattorizzata e che differenza fa?
Un'alternativa all'IBA è la Factorized Power Architecture (FPA) di Vicor, che consiste in uno stadio di pre-regolazione (PRM) seguito da uno stadio di trasformazione della tensione (VTM). Questa architettura proprietaria permette l'ottimizzazione delle prestazioni di ogni stadio, dove il PRM esegue una funzione di regolazione non isolata (48V è SELV), dove il suo ingresso a 48V è strettamente regolato per fornire un'uscita a 48V e lascia la conversione alla tensione PoL desiderata al VTM, che è un convertitore a rapporto fisso (fattore 1/K).
Questa architettura e le sue prestazioni sono migliorate dalle topologie proprietarie utilizzate all'interno del PRM e del VTM. Il PRM utilizza una topologia di commutazione a tensione zero, mentre il VTM utilizza una topologia proprietaria del convertitore di ampiezza sinusoidale ad alta frequenza (SAC), con commutazione sia a tensione zero che a corrente zero per eseguire la conversione della tensione alla tensione PoL. Il VTM è essenzialmente un trasformatore DC-DC in cui la tensione viene trasformata verso il basso (chiamato fattore K) con il rapporto di 1/K e la corrente viene moltiplicata verso l'alto per il fattore K. Il VTM, noto anche come moltiplicatore di corrente, è un convertitore PoL ad altissima densità di corrente (i nuovi prodotti raggiungono attualmente i 2A/mm2) e può essere posizionato molto vicino al processore, grazie alla sua innovativa tecnologia di imballaggio ChiP e ai magneti integrati ad alta densità.
Questo livello di alta densità di corrente offre agli ingegneri una grande flessibilità. A seconda della corrente del processore, gli ingegneri possono scegliere tra l'erogazione di potenza laterale o verticale. Nell'erogazione laterale della potenza (LPD), il moltiplicatore di corrente si trova a fianco del processore AI o sullo stesso substrato o direttamente sulla scheda madre entro pochi mm, consentendo una riduzione del PDN a circa 50 µΩ. Per prestazioni ancora più elevate, l'erogazione verticale della potenza (VPD) sposta il moltiplicatore di corrente direttamente sotto il processore, dove la mappa dei pin di potenza in uscita corrisponde al passo e alla posizione dei pin di potenza del processore situati sopra. Il pacchetto del moltiplicatore di corrente integra anche i condensatori di massa ad alta frequenza che tipicamente si trovano sotto il processore sulla scheda madre o sul substrato. Questo tipo di moltiplicatore di corrente è chiamato GCM (Geared Current Multiplier). Il VPD riduce la resistenza PDN ad un incredibile 5-7 µΩ, consentendo ai processori AI di raggiungere le loro reali capacità prestazionali.
Complessi problemi di potenza di questa portata richiedono un approccio di progettazione olistico per ottenere risultati di successo ad alte prestazioni. Le innovazioni nell'architettura, nelle topologie e nel packaging sono necessarie per risolvere le sfide di potenza più difficili che stanno aumentando di scala. I PDN ad alta tensione possono risolvere molte sfide di prestazioni del sistema. Tuttavia, senza alta densità ed efficienza, gli ingegneri di sistema non avranno soluzioni completamente ottimizzate. La riduzione delle resistenze PDN è la chiave per sbloccare l'energia di prossima generazione per l'HPC e consentire la promessa dell'IA.
Vicor, PRM, VTM, VTM, ChiP, FPA e SAC sono marchi di fabbrica della Vicor Corporation.
Il sistema di alimentazione ideale per i punti di carico
Per raggiungere il punto ottimale del sistema di potenza del carico: 1. un regolatore fornisce la massima efficienza quando Vin = Vout 2. L'efficienza è massimizzata quando l'erogazione di alta corrente è più vicina al punto di carico, riducendo al minimo le perdite I2R.
L'ultimo pollice
Superando gli ostacoli imposti ai processori ad alta potenza dall'erogazione di corrente elevata attraverso l'"ultimo pollice", la tecnologia Vicor non si limita a migliorare le prestazioni e a semplificare la progettazione della scheda madre. Consente ai processori di raggiungere livelli di prestazioni precedentemente irraggiungibili, necessari per soddisfare la promessa di applicazioni ad alte prestazioni come l'Intelligenza Artificiale.
Erogazione di potenza laterale
L'erogazione di corrente elevata viene fornita tramite i moduli MCM che possono essere posizionati adiacenti al processore sia sulla scheda madre che sul substrato del processore. Il posizionamento sul substrato riduce al minimo le perdite di PDN e riduce il numero di pin BGA del substrato del processore necessari per l'alimentazione.
Erogazione di potenza verticale
Il Vertical Power Delivery (VPD) elimina ulteriormente le perdite di distribuzione dell'alimentazione e il consumo dell'area della scheda PCB VR. Il VPD è simile nella progettazione alla soluzione Vicor LPD, con l'aggiunta dell'integrazione della capacità di bypass nel moltiplicatore di corrente o nel modulo GCM.
