为XPU“最后一英寸”降耗 Vicor合封供电方案提升数据中心能效

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%。

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。

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。

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。