数据中心低电压大电流发展下，48V架构才是“正道”

“未来几年，我们能够看到48V架构会出现在云计算、高性能计算以及广泛的市场概念应用范围内的AI领域等应用中”，Vicor市场经理孟令冲在OCP CHINA DAY 2021大会期间这样为记者介绍。

半导体行业发展迅猛，其中算力几乎是肉眼可见。行业正急速靠近摩尔定律的瓶颈，为了继续增强算力，近年算力巨头纷纷推出XPU产品，数据和计算量都正在指数级增长。

对于大型数据中心来说，随着算力的巨幅提升，电流也在迅速增长。这种增长态势之下，48V架构因其多重优势，被诸如谷歌这种巨头所采用。作为48V架构专家的Vicor为记者详细介绍行业发展现状与其深耕多年的成果。

低电压大电流下的两个挑战：从12V到48V

“低电压和大电流的行业趋势会电源设计带来挑战性”，Vicor高级工程师杨周这样为记者介绍。

他展示了一组数据，自2000至2021年，CPU、GPU、ASIC、FPGA等XPU的工作电流产生明显上升的趋势，这种上升趋势源自算力的上升，与此对应的工作电压便是缓慢下降的过程。目前，这种趋势已触及交汇点，2021年工作电流大约在1200A，工作电压约为0.8V。

然而，趋势并非可逆的，这是因为电流和电压变化趋势跟随着晶圆制造的进程而变化的，即12nm-10nm-7nm-5nm-3nm的变化下单位面积下晶体管数量越来越多，对应的晶体管承受电压率越低，这种趋势还会持续向下走。

在这种电压继续下降、电流继续上涨的情况下，对于电源设计的挑战是持续，而且是越来越有挑战的。具体来说，会带来两个方面的挑战：

1、“最后一英寸”（Last inch）

据介绍，传统12V供电架构下，服务器板的负载点与 XPU 之间的“最后一英寸”（包括主板PCB以及 XPU 插座内的互联）已成为限制 XPU 性能和总体系统效率的一个因素。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。

杨周继续补充说明：“假若工作电流还在200、300A时，大概计算出来的FIR也只有20、30W，相对几百瓦的CPU来说可以忽略不计。但在电流急剧上涨到1000A时，损耗能到达400W，而这种损耗是纯粹的PCB损耗。在损耗之下，系统的供电效率会降低到50%以下，这种系统效率之下基本可以宣告设计失败。”

“如果整个系统转换到48V，效率将会提高30%”，杨周表示，这也是云数据中心提供商纷纷将内部电源总线升级为48V的重要原因。

2、PCB空间的局限性

虽然性能和算力一直在提升，但业界普遍需求PCB板不变甚至缩小。在这种情况下，CPU/GPU和连接器占据了板子一半空间，内存作为算力比拼的核心占用空间也越来越大，网络交换处理器和高速收发器设计方案占用空间也越来越大。

需要注意的是，在集群计算中，PCB空间更加紧张。这种方案已经到达晶圆级/PCB级的XPU切割，这种情况下的互连更加方便。但这种PCB空间下无疑是对电源设计的更大的挑战。

据介绍，传统的12V电源会占用更多的PCB面积，在散热方面要求更高，假若不能满足电源需求，则很可能会限制CPU的工作性能。因此，这也是将电源总线升级为48V的另一个重要推动力。

Vicor的48V解决方案：为客户提供两个选项

上文也有讲到，在面对低电压大电流挑战下，从12V转到48V系统结构是提高效率的重要解决方式。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NVIDIA、英特尔、寒武纪、天数智芯、谷歌等在内的多家客户，大规模应用于从48V直接为XPU供电的主板中。之所以广受青睐，这是因为Vicor在48V系统架构上拥有诸多创新。

在面对“最后一英寸”（Last inch）和PCB空间受限的低电压大电流挑战之下，Vicor选择采用分比式电源架构（FPA）取代传统多相位稳压器以优化整体方案。

Vicor的分比式电源架构将功率转换分解为单独的稳压和变压功能，这些功能可以单独优化，最大限度提高性能。稳压模块可部署在主板上的任何位置，而重要电流输出模块电流倍增器则可针对密度、效率和低噪声进行优化，并可部署在非常接近处理器的位置。

依托分比式电源架构能够将供电转化模块做得非常小、非常薄，这种模块可以直接从原来的PCB板子上贴在XPU上，消除“最后一英寸”。并且，方案均兼顾高功率密度、高效率、高瞬态性能和低噪音的特点。

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PoP（Power-on-Package）模块化电流倍增器（MCM）。相比传统的供电方式，其典型的PDN电阻可降至50μΩ。目前，Vicor的电流倍增器已经被大规模用于从48V直接为XPU供电的主板中。

Vicor的分比式电源架构提供两种完美的模块化电源方案选项，一种为横向的电源方案，一种为垂直的电源方案，两种方案将根据处理器电流进行划分。

1、横向（Lateral）方案：横向供电 (LPD)合封电源

LPD电源模块中的MCM（转换模块）安装在XPU侧面，可减少PDN损耗和服务器电路板层数，提高瞬态性能，将峰值电流容量扩展到1000A以上，而且还可让PDN电阻锐降50倍。将MCM布置在基板上，不仅可最大限度降低PDN损耗，而且还可减少电源所需的处理器基板BGA引脚。

LPD旨在支持OCP加速器模块(OAM)卡及定制AI加速器卡的供电需求和独特封装。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。

2、垂直（Vertical）方案：垂直供电 (VPD)合封电源

VPD主要应对的是极高的处理器电流，VPD设计结构将MCM直接部署在XPU底部。这种垂直结构通过回收XPU周围宝贵的空间，最大限度降低PDN损耗，集成PoL电容，最大限度提高系统效率和XPU性能。与LPD相比，这可将PDN电阻再降低达10倍之巨。

垂直供电的另一项优势是为高速I/O和存储器开放了上层PCB的电路板面积。VPD采用与VicorLPD解决方案类似的电流倍增器，但将通常部署在处理器下方的高频率旁路电容集成在与MCM连接的变速器封装中。此外，该变速器还允许对从MCM的输出引脚到处理器电源引脚的间距进行必要的修改，其输出电源引脚也与处理器或ASIC的电源映射相匹配，可最大限度提高性能。

Vicor对48V系统的理解：以创新为基因

通过上述的Vicor方案不难看出，48V直接为XPU供电的优势巨大，而Vicor在此基础上凭借分比式电源架构（FPA）和电流倍增器（MCM）划分为横向供电 (LPD)和垂直供电 (VPD)两种方案。

反观整个行业，实际上48V供电已经被市场所接受了，是市场既定的趋势。48V供电不仅在数据中心大放光彩，同时在汽车、ATE、高性能计算上也广受认可。

“48V的方案最早的是从IBM和谷歌发布的，接着欧洲和美国也进行了发布。而后国内OCP也开始布局，诸如OpenRack3.0方案。从12V到48V转换是行业的趋势，这已经成为行业巨头广为关注的关键的架构”，Vicor中国销售总监、数据中心及超级计算负责人陈新军如是说。

孟令冲对记者介绍，电源的功率密度和电流密度从过去到现在发生了天翻地覆的变化。2012年-2019年间，功率密度从每立方英寸0.8千瓦提高到10千瓦，负载点电流密度从0.8A增长到2A。从更长远的时间点来看，1984年至2021年间，电源密度提升则高达500倍之多。之所以取得如此重大进步，48V领域对于演进给予了大力的支持。

“诚然，48V是现在的方向，但传统服务器中90%还是12V系统，另外一些服务器还是需要48V和12V混搭方案的”，因此在围绕48V方面上，Vicor是这样划分数据中心电源产品的：

1、48V至负载点模块：即上述的横向供电 (LPD) 合封电源与垂直供电 (VPD)合封电源两个方案。

2、48V与12V的桥接：主要为厂商提供12V和48V间转化的模块产品，其中NBM2317是典型方案，NBM2317采用不足3.3立方厘米的封装，提供48V至12V双向转换，在750W稳定功率和1kW峰值功率下，支持98%的峰值效率。

3、高压DC模块和AC/DC直流电模块：传统电源方案还是Silver Box，Vicor认为这种技术功率密度的提升速度较慢，其方案也进行了创新。

高压DC模块上Vicor的BCM6135转换器是隔离的架构，在将高压电源连接至SELV配电时可提供必要的保护，其峰值效率超过97%，并且在额定电流超过30%的情况下工作时，效率超过96%。产品具有260到410V的输入范围和1/8的固定比率转换，能够提供与48V配电兼容的输出。

AC/DC模块PFM9280是可实现5kW功率输出，而其大小仅相当于iPad的面积，并支持并联。PFM是市场上最纤薄的AC-DC解决方案。VicorVIA封装使设计者能够高效地将电源封装到系统散热管理解决方案内。“传统220V转12V转48V，但为了实现更高电源密度，应该转向三相380V供电系统”，杨周如是说。

“Vicor自1981成立已有40年历史，公司以创新为基因，研发费用占每年营收16%左右，拥有170个专利，在配电网络、控制系统、组件、封装方面均有许多创新”，陈新军向记者介绍，Vicor的创新在四大方面，分别是创新架构、独特的控制系统、先进的拓扑、专有的组件及封装。