Vicor 公司 2022 年電力電子預測

預測1:快速處理巨量資料的需求將推動超大規模資料中心的成長

Emergen Research最近發佈的一份報告顯示,2022 年,全球超大規模計算市場將繼續在 2021 年約 1470 億美元的基礎上保持猛烈成長,預計到 2028 年,收入的年複合成長率將達到 27.4%。實現成長的重要推動因素有很多,其中包括不斷成長的雲端運算工作負載、資料中心最佳化、社群媒體平台以及data-as-a-service資料即服務的出現。

在此期間,為了推動收入的持續成長,將功率半導體設計在其超大規模運算平台中的公司將面臨以下必須因應的挑戰。

參考上圖可以看出,隨著處理器電流的增加,熱管理將是主要的挑戰。解決該問題有兩種方法:

  1. 增加電源傳輸電壓:即從 12V 增加至 48V
  2. 將電流倍增器(分壓器)放置在接近負載的位置,以縮短電源傳輸的距離

這些技術可降低 I2R 損耗,進而可顯著降低熱管理過載。減少熱管理,有助於加強利用可用電源(FLOPS/Watt)。

高效能運算 (HPC) 主要有三種應用:人工智慧和機器學習 (AI/ML)、超級電腦運算以及超大規模運算,每種應用都有一系列特定的需求。

AI/ML 的目標是透過巨量資料建立有意義的分析模型(即訓練),該項工作的完成必須是可預測、可重複和超低延遲的。為了實現這個目標,開發了專用處理器和運算系統,例如 Nvidia DGX 和 Cerebras CS-2 系統。之前,這些平台所使用的高效能處理器是採用 10nm 製程製造,現在它們正在向 7nm 甚至 5nm 製程發展。

這類處理器的核心電壓範圍在 0.8V 至 0.66V 之間,並且在穩態電流超過 1kA、峰值電流超過 2kA 時,並正逐漸接近 0.34V。

在如此高的電流下,供電在管理 I2R 損耗的過程中至關重要。而在接近負載的位置提供電流倍增器進行橫向供電,有助於降低 PDN 提升負載電流至500A,垂直供電則可進一步降低PDN將負載電流提升至 1kA 以上。

對於超大規模雲端運算資料中心,影響設計的兩個主要因素是總體擁有成本和電源使用效率。在機架中使用 48V 配電,不僅可縮小機架空間,而且還能使用可擴充的 48V 電池備援系統,其可消除大型不斷電供應系統。所有這一切都有助於提高機架密度,也就是說可提高運算容量、改善總體擁有成本。

預測 2:資料中心營運商仍會爭論選擇 AC 電源還是 DC 電源

DC 直流配電最重要的優勢包括可消除大型 AC-DC UPS 系統以及無需擔心運算負載分配的平衡等。但它也有其自己的缺點,比如除了少數高壓 DC 工程儲備人才外,沒有人能直接接觸高壓 DC 電源,以及為數不多能提供高壓 DC 生態系統元件(熔斷器和高功率斷開器等)的廠商。 現代資料中心最常用的方法是將三相 AC 電源引入建築物內,然後將其分成三路單相 AC 線路,該 AC 線路由其自己的 UPS 系統備份。這種架構不僅需要更高的前期基礎設施成本,而且還需要確保在三相之間均勻地分配工作負載。除此之外,還需要有有大量的人才儲備以及在執行大型資料中心專案方面擁有豐富專業技術的成熟供應商合作夥伴生態系統。值得注意的是,無論選擇 AC 配電,還是 DC 配電,最終所有電子負載都是基於低壓 DC 電源工作。因此,與典型 12V DC 配電相比,使用 48V DC 配電最佳化「最後一哩」應用,將帶來降低功耗的巨大優勢。此外,將 48V 直接轉換用於大電流 PoL(48V-PoL),還可進一步降低功耗,從而將顯著簡化熱管理過載問題。該組合在將大部分可用輸入電源用於提供高密度運算,以滿足更低總體擁有成本需求的過程中發揮了重要作用。