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以數據中心為代表,48V架構迎來爆發期

2021-08-06
作者:王潔
來源:電子技術應用
關鍵詞: VICOR 數據中心 48V 汽車

48V,未來幾年將能夠看到它在云計算、高性能計算以及廣泛的AI市場領域中大量應用,Vicor很幸運較早就進入到了48V領域中。”Vicor市場經理孟令沖表示。

日前,在OCP大會上,降碳增效備受關注。Vicor作為領先的高密度電源模塊生產商,在OCP期間舉辦了一場專業的媒體見面會,分享了數據中心電源配電上的市場趨勢及其48V直流供電系統解決方案。

48V深耕多年

隨著5G、云計算、工業互聯網和人工智能的發展,作為底層的算力基礎設施,數據中心面臨新的要求和挑戰。終端產品對電力的需求增加,原有的12V配電架構無法滿足需求,需要提高配電電壓,向48V提升成為大勢所趨。“其實提高配電電壓并不簡單,Vicor在這個領域深耕多年,通過高性能、高密度的模塊化電源解決方案,能夠解決這個問題。”孟令沖表示。

坐落于馬薩諸塞州安多弗的Vicor公司擁有40年歷史,致力于提供各種模塊化電源組件和完整的電源系統,公司非常注重創新,每年投入的研發費用占到營收的16%左右。同時擁有170多個專利,在配電網絡、控制系統、組件、封裝方面均有創新。隨著市場需求不斷增加,2018年工廠擴建后產能提升了6倍,目前正在擴建一個新工廠,面積將增加8500英尺。

在48V配電架構上,Vicor的相關方案已經被谷歌、英偉達等巨頭公司采用,經過了市場檢驗。隨著這些年的不斷優化和演進,Vicor在48V配電架構上,以創新的架構、先進的拓撲、控制系統、獨特的組件及封裝四大創新優勢,引領行業發展趨勢。

針對目前市場的特點,Vicor給出了為移除最后一英寸的48V靠電、12V/48V橋接、高壓直流DC和AC/DC三大解決方案。

最后一英寸(Last inch)

“低電壓大電流的需求,對電源設計的挑戰在未來會持續存在,并且會越來越具有挑戰性。” Vicor高級工程師楊周指出。

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處理器電壓不斷降低,峰值電流迅速增長

隨著對算力的追求,2000年-2021年,CPU、GPU和AI芯片靠電呈現明顯上升的趨勢,而算力的提升則伴隨著電流迅速增長、靠電電壓緩慢下降。在2020年已出現了交匯點,電流大概是1200A,對應的靠電電壓大概是0.8。這種趨勢并不可逆,隨著晶圓制程的進一步減小,對應的單位面積晶體管數量越來越多,晶體管承受的電壓率越低,這種趨勢還將持續下去。

而低電壓大電流將會造成巨大的“最后一英寸”損耗。服務器的負載點與CPU之間的距離即“最后一英寸”(last inch)。楊周介紹,在靠電電流200A、300A時,FIR大概也只有20W、30W,相對于幾百瓦的CPU來說可以忽略不計。但是電流上漲到1000A時,FIR的損耗到達400W,是純粹的PCB損耗,系統的供電效率會降到低于50%。一個系統的效率低于50%,那么這個設計就已經失敗了。

為了解決這個問題,Vicor給出了一種分比式電源架構,將穩壓和變壓功能分開,可以把第二部分供電轉化模塊做到非常小、非常薄,從原來的PCB板子改為直接貼到CPU上,去除掉last inch,進而減小損耗。

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Vicor分比式電源架構

此外,針對PCB空間的局限性,Vicor還給出了一種垂直電源方案,將電源模塊封裝在一起,可以直接貼在CPU的對面,減小last inch的同時達到節省空間的效果。

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NVIDIA加速卡采用Vicor方案

12V至48V雙向橋接

48V是今后的發展趨勢,以AI芯片OAM卡、加速卡、AI邊緣計算的服務器等為代表的高功率密度應用已經升級到了48V,但目前傳統的數據中心里,服務器上90%還是12V。現在的48V邊緣計算和傳統的機房還要混搭,因此12V和48V需要一個中間轉化模塊。

Vicor提供了12V-48V雙向轉化的方案,即NBM2317模塊,其輸入和輸出可以反向,在此過程中外圍線路無需任何改變,并且效率可以高達98%。據楊周介紹,NBM2317模塊相對目前市場上其他電源模塊可以實現70%功率密度的提升。

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英特爾OAM加速卡采用NBM2317

壓直流DC和AC/DC轉換

2015年前后,隨著CPU、GPU、AI芯片對算力的要求增加,服務器功率密度激增,如今機架式服務器電源市場也遇到了挑戰。

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Vicor重新部署AC/DC電源模塊,應對功率密度挑戰

2000年-2010年,機架式服務器功率基本上穩定在10kW;從2010年開始機架功率往上漲,2015年以后功率迅速上漲;到2020年,一個機架功率高達200kW。“對于這么大的功率需求,以前一個200kW可能幾間屋子都放不下,現在要求200kW放在一個機架里面,這對于供電是很大的挑戰。”楊周說道。

傳統的電源方案是CRPS電源,其功率密度是在提升的,但是Vicor認為這種提升較慢,Vicor希望用更高功率密度的模塊重新擺放機架上的電源方案。因此,Vicor選擇將電源模塊在機架里層層平鋪或放到機架側面,體積空間占用很小,給算力留下更多空間。

對于高壓直流電源模塊BCM6135,可將380V的直流輸入轉為48V輸出,這也是Vicor分比式電源架構的典型應用。

對于交流直流電源模塊PFM9280,僅用92mm×80mm×7.5mm體積(相當于一個iPad大小),實現5kW功率輸出。

不只數據中心

近年來48V發展很快,機器人、無人機、LED等領域都有48V的應用,未來數據中心領域的應用已經非常明確,包括軌道交通、ATE等方面。此外,汽車也會是48V的重要應用領域。陳新軍表示:“自動駕駛是未來的大趨勢,各大廠家都在投入,汽車也是Vicor的一個核心方向。目前汽車總基線是12V,未來自動駕駛的功耗可能幾千瓦,12V的總基線可能應付不了,Vicor主推以48V為核心的架構方案。同時,未來的汽車對于解決方案的體積和重量肯定是很在意的,Vicor能提供小而美的解決方案。”

據陳新軍介紹,Vicor在全球很多高端汽車上已經有Vicor的產品,不久會看到相關消息公布,重量極輕、效率極高是Vicor產品得以成功應用的關鍵。

今年,節能降碳成為各企業競相追逐的又一目標。Vicor中國銷售總監陳新軍表示:“節能降碳最核心的還是提升效率,降低成本。我們把密度做大,成本做低,就是實實在在的貢獻。其次,我們將體積、損耗減少,綜合的降碳效果是非常好的。”

Vicor高級現場應用工程師吳際補充道:“在一些實際應用上,Vicor提供了很多高壓直流系統,如北京一些充電站380V轉48V。數據中心是目前的一個新應用,還有現在小電站太陽能板就是48V,也契合我們的應用。Vicor這個產品正好滿足現在低碳的需求。”

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