“如今電力需求和基礎(chǔ)設(shè)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?！比涨?，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(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，電源轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)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(shù)，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(jié)構(gòu)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。”
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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，給存儲器、外設(shè)、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(gòu)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(jié)果顯示，如果整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(gòu)、合封電源橫向供電 （LPD）以及合封電源垂直供電 （VPD）等技術(shù)。
分比式電源架構(gòu)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(guān)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(shè)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(zhuǎn)換器，更適合CPU周圍緊湊的空間要求?！睏钪苷f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(zhuǎn)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?！蹦壳癓PD 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(gòu)相關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)換方案。該方案可自動實現(xiàn)12V至48V的雙向轉(zhuǎn)換，無需對外圍進行任何修改，并實現(xiàn)了98%以上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)架構(gòu)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?cè)萘繉⑦_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?！?/p>
解決高壓DC/DC及AC/DC的轉(zhuǎn)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)。“2015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(zhuǎn)至48V。另外一種則是交流轉(zhuǎn)直流模塊，該模塊僅為iPad大小（92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(cè)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(zhuǎn)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(shè)備以及LED等都開始涉足48V應用?！泵狭顩_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%?！?026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(shè)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(shù)，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(guān)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(zhuǎn)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?！拔覀円脖仨氉龀鲆恍└淖??！?/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(shù)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(gòu)所進行。
