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为XPU“最后一英寸”降耗 Vicor合封供电方案提升数据中心能效

时间:2017-08-24 来源:21ic 作者:崔晓楠

刚刚落幕的开放数据中心峰会(ODCC)上,人工智能、机器学习和大数据挖掘等高性能计算应用成为最热门的话题。而高性能计算应用的发展对数据中心CPU/GPU/ASIC(XPU) 工作电流的需求不断提高,已达到数百安培。

 

目前,数据中心能耗占了全球用电量的2%。工信部《国家绿色数据中心试点工作方案》显示,近年来我国数据中心发展迅猛,总量超过40万个,年耗电量超过全社会用电量的1.5%,阿里巴巴发言人提到的一款3U GPU服务器的功耗就已高达3.2KW,数据中心的节能降耗迫在眉睫。

 

作为最先推出48V至负载点模块的厂商,Vicor的数据中心供电方案已经赢得了包括IBM在内的多家客户,大规模应用于从48V直接为XPU供电的主板中。Vicor所采用的分比式电源架构通过前置稳压模块(PRM)提供接近 48V 的稳压输出电压,电压转换模块(VTM)提供超高效率的电压/电流转换,为负载点供电。相对传统的12V架构,其能源效率能够提高30%。

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图:采用分比式电源架构的 Vicor 48V方案

 

虽然毗邻XPU放置的大电流负载点电源架构可降低主板内的配电损耗,但无法解决 XPU 和主板之间的互连难题。在分比式电源架构的基础上,Vicor凭借在封装创新方面的丰富经验和技术优势,又针对高性能、大电流的XPU处理器推出了合封(Power on Package)模块化电流倍增器(MCM)。这种设计有效降低了包括主板PCB以及 XPU 插座内的互联等负载点与 XPU 之间“最后一英寸”的能耗,进一步提升了XPU的系统效率。

 

据VICOR 亚太区董事总经理、市场销售副总裁黄若炜介绍,大部分现有的 XPU 将其 25% 的引脚用于电源输入,特别是当其电流超过 200A时,这一数字还将进一步增加。Vicor 合封供电方案不仅可以减少 XPU 插座的引脚数,还因为消除了PCB及封装中的诸多阻抗,有效减少从主板向 XPU 供电的损耗,从而可增大电流供给,同时提高系统性能,如扩展I/O 功能等。

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图:对比现有XPU供电模式(左)与Vicor合封供电方案(右)

 

创新的合封MCM可与XPU内核一起封装在 XPU基板中。如下图所示,合封在 XPU 基板(位于 XPU 封装盖下或侧面)上的MCM 由来自基板外的模块化电流驱动器(MCD)驱动,实现电流倍增,如1:64的电流倍增。MCD实现了Vicor分比式电源架构中前置稳压模块和部分电压转换模块的功能,置于主板上,支持高带宽和低噪声,不仅可驱动 MCM实现电流倍增,而且还可为 XPU 提供精准电压调节。

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图:通过对XPU封装供电的实例

 

现已推出的合封解决方案包含两个 MCM 和一个 MCD,可为 XPU 提供高达 320A 的稳态电流,峰值电流可达 640A。采用正弦幅值变换器的MCM由于采用零电压零电流软开关技术,实现业界最低的噪声水平。由于MCD和MCM之间的电流极大减少,它们之间的互连导通损耗降至10%。此外,这一方案还包括简化了主板设计, XPU 动态响应所需的储能电容也大幅减少。

 

VICOR市场与商务拓展副总裁Robert Gendron表示,继现已提供样品的两款最新的合封电源器件,MCM3208S59Z01A6C00 模块化电流倍增器和MCD3509S60E59D0C01 模块化电流驱动器之后,这一系列还将陆续推出更丰富的产品组合,满足不同能耗水平、不同封装尺寸,甚至不同行业应用的需要。由于要封装在XPU内部,Vicor已经和多家CPU、GPU及ASIC厂商展开更为紧密的合作,同时提供标准产品以及定制化方案,为其下一代XPU带来更高能效。展望未来,Gendron透露,MCM产品将能够提供出1V以外,不同的电压输出。

 

中国信息通信研究院数据显示,2016年中国IDC市场规模达到720亿元左右,同比增长40%左右,伴随着中国制造2025、两化融合、云计算、大数据等国家战略的实施,数据计算存储需求持续高涨,预计未来几年我国数据中心产业仍将保持快速增长。

 

过去 10 年,Vicor 一直致力于为数据中心提供更高能效的创新方案。在提高电源系统密度和成本效益的同时,平均每两年便可将损耗降低 25%。最新的Vicor合封电源方案不仅可提高性能,简化主板设计,还可让XPU在人工智能时代以最大的潜能运行。

 
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