如何满足现代微处理器的电源需求?

现代社会对计算能力的需求日益增长。人工智能 (AI) 的飞速发展推动了数据量的爆炸式增长，包括数据的创建、处理和存储。AI已渗透到现代生活的方方面面，从汽车到购物方式无所不在。在工业领域，边缘计算改变了制造业，创造了一个能够快速响应不断变化的需求、更加灵活的工厂空间。所有这些应用都需要更强大的计算能力，因此需要性能更强的高性能处理器。

(图源：Thi/stock.adobe.com;由AI生成，经贸泽修改)

现代处理器为应对这一需求发生了巨大变革。现代处理器现已采用3纳米级工艺节点，虽然设计电压要求已从5V降至0.8V，但较小的工艺节点对电压精度提出了更高要求，以确保最佳性能。同时，工艺节点的缩小使晶体管密度大幅提升，进而导致热密度增加。这使得电源效率对于降低功耗和确保可靠运行变得更加重要。

现代处理器的更高运行速度需要更快的响应时间。虽然这种速度使它们能够快速处理新任务，但也要求电源必须具备相似的响应速度。如果电源无法同步响应，关键时刻的电压波动可能导致系统崩溃甚至硬件损坏。

除了这些要求外，效率也变得至关重要。随着全球能源价格上涨，耗电量巨大的人工智能处理器进一步推动了数据中心的能源需求。电源效率低下导致热负荷增加，必须进行有效管理。这些因素的结合改变了能源供应方式。

在本文中，我们将探讨工程师在应对现代电源交付挑战时面临的难题，并分析NXP的电源管理集成电路 (PMIC) 如何为下一代处理器提供可扩展、高效且可靠的解决方案。

长期存在的电源问题

传统的印刷电路板 (PCB) 供电方法已不适用于现代计算设备。早期微处理器对电源的需求远没有那么复杂，因为单核处理器仅需一个电压等级，即所谓的单轨电源。该电源从市电转换为直流电时采用相对较高的电压(最初为5V)，但随着处理器复杂度提升和节点尺寸缩小，电压也随之降低。

然而，现代处理器中的多个内核运行在不同的电压和时钟频率下。因此，这些多核处理器要求系统能为每个功能提供合适的电压——这就是所谓的多轨电源管理。每条电源轨为处理器内的不同区块供电，包括内存、内核和I/O功能。多轨电源系统旨在根据需求为每个内核提供特定的电压和电流。

处理器供电方式的改变反映了我们与能源关系的全新演进。现在鼓励大家利用可再生能源创造更多能量，以应对气候变化。运营商正大量投资于利用太阳能电池等技术降低能源消耗成本。在此方法中，电能存储于由大量电池组成的储能系统 (ESS) 中。与传统的电网供电不同，ESS的输出为直流电。因此，需要能够从直流电源提供合适电压的电源管理系统。

与此同时，人们对采用新技术提升电源效率的兴趣也日益浓厚。受汽车行业向48V电源系统转型影响，这一新型电源方案为提升效率创造了机遇。电源传输网络中功率损耗的主要来源是电阻传导损耗，这会使效率与电流的平方成反比下降(P = I²R~1/效率)。提高电压并降低电流可在提供相同功率的同时显著提升系统整体效率。

电压每降一级都会影响效率。将电压从48V转换为5V，然后再转换为更低的电压，都会在电源系统中产生损耗。多轨电源可根据处理器内核的需要提供一系列不同的电压，而无需多次转换，这将提升整体效率并减少与固定电压系统相关的损耗。

针对挑战性应用的电源解决方案

除了高性能系统的挑战外，嵌入式系统和边缘AI的兴起使得更强大的处理器从数据中心逐渐走向日常应用场景。因此，支持这些系统的电源必须符合严格的安全标准。在汽车领域，配备高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的自动驾驶车辆的普及，突显了电子系统安全性的重要性，而汽车安全完整性等级 (ASIL) 合规性则确保了道路使用者的安全。通过分类安全关键场景中故障带来的危险，ASIL合规性使设计师能够为严苛应用选择合适的组件。

面对这些性能与安全挑战，设计人员需要一个能够满足现代微处理器复杂需求的单一解决方案。NXP Semiconductors的电源管理集成电路 (PMIC) 通过优化电源效率并简化应用处理器的供电序列，成为了为复杂计算设备供电的专用解决方案。

NXP的PMIC将多轨电源集成到单一组件中，简化了PCB设计并通过减少所需组件数量缓解供电难题。PMIC支持动态电压调节 (DVS)，能够按需供电，从而减少能源浪费并提升效率。此外，效率的提升还降低了发热量，有助于减少热管理相关的成本和复杂性。

NXP PMIC符合ASIL-B和ASIL-D要求，堪称下一代汽车设计的理想选择。为满足汽车、工业和物联网应用的长期需求，NXP的产品长期供货计划保证产品至少供货10到15年，具体取决于器件类型。这确保了设计连续性和供应链稳定性。

电源管理的未来

随着计算系统不断演进，节点尺寸的缩小和功能的增强，为供电系统提出了新的要求。人工智能系统在日常应用中的普及以及汽车和工业领域的技术革新，意味着传统电源架构已无法满足需求。

随着PMIC的作用日益重要，NXP提供了一系列解决方案，可提供精确的多轨可扩展电源，并具有内置的安全合规性。借助NXP的PF81、FS65和PF0100 PMIC，设计人员能降低系统复杂性、提高效率，并为未来的高性能计算设备提供更可持续的产品。

作者

David Pike以其热情和普遍的极客精神在互连行业广为人知。他的网名是Connector Geek。