Vicor Stromversorgung für CPU/GPU/ASIC Eine neue Definition von »Point-of-Load«

Die neue zweiteilige Stromversorgung von Vicor aus MCD (oben) und MCM (unten) versorgt Prozessoren effektiver als bisher.
Die neue zweiteilige Stromversorgung von Vicor aus MCD (oben) und MCM (unten) versorgt Prozessoren effektiver als bisher.

Point-of-Load-Stromversorgungen für Prozessoren reduzieren die Leitungsverluste auf dem Motherboard. So dominiert der »letzte Zoll« zwischen Stromwandler und Prozessor die Verluste. Mit neuen Current-Multipliern widmet sich Vicor genau diesem Problem.

Moderne Hochleistungsprozessoren (CPUs, GPUs, ASICs, von Vicor als XPU abgekürzt) benötigen hohe Versorgungsströme von zum Teil mehreren hundert Ampere. Doch hohe Ströme bedeuten auch hohe Leitungsverluste. Deshalb werden heute Point-of-Load-Stromversorgungen eingesetzt, die erst in unmittelbarer Nähe zur XPU von hohen Spannungen auf niedrige Spannungen (typischerweise 1 V) wandeln.

Doch was bedeutet »Point-of-Load«? Die Spannungen werden dort zur Verfügung gestellt, wo sie wirklich benötigt werden, mit möglichst kurzen Leitungen. Üblicherweise sind die Stromwandler noch einige Zentimeter (circa einen Zoll) von der XPU entfernt. Und dieser »letzte Zoll« dominiert die Leitungsverluste und schränkt den Gesamtwirkungsgrad des Systems ein.

Ohne den »letzten Zoll«

Vicor will »Point-of-Load« mit neuen modularen Stromversorgungen neu definieren: Die Modular Current Multiplier (MCM) können direkt im Gehäuse der XPU angebracht werden, um die Verluste auf dem »letzten Zoll« zu vermeiden.

MCMs, auf dem XPU Substrat unter der Abdeckung oder außerhalb davon montiert, werden als Strommultiplizierer von einem externen Modular Current Driver (MCD) mit einem Bruchteil von z.B. 1/64tel des XPU Versorgungstromes gespeist. Der MCD auf dem Motherboard regelt präzise die Versorgungsspannung und minimiert Störspannungen.

Da die MCMs direkt auf dem XPU Substrat montiert sind, muss der von den MCMs gelieferte XPU Strom nicht durch den Sockel fließen. Die MCMs wiederum werden von den MCD Treibern mit einem niedrigen Strom versorgt, was eine Reduzierung der Steckerverluste um den Faktor 10 bringt. Gleichzeitig werden aber 90 % der sonst typischerweise für die Stromversorgung benötigten Sockelpins für andere Zwecke frei. Weitere Vorteile sind ein vereinfachtes Motherboarddesign und eine deutliche Verringerung der benötigten ByPass-Kondensatoren, um die XPU innerhalb der geforderten Spannungsgrenzen zu halten.

Zwei erste Komponenten

Zunächst hat Vicor zwei dieser Power-on-Package-Komponenten vorgestellt: ein MCM3208S59Z01A6C00 Modular Current Multiplier (MCM) und ein MCD3509S60E59D0C01 Modular Current Multiplier Driver (MCD). Mehrere MCMs können für einen höheren Strom parallel betrieben werden. So liefert eine Kombination aus zwei MCMs und einem MCD der XPU einen Dauerstrom von 320 A, wobei Spitzenströme bis 640 A möglich sind.

Das kleine Gehäuse (32mm x 8mm x 2.75mm) und die niedrigeren Störspannungen des MCM ermöglichen eine Unterbringung im gemeinsamen Gehäuse mit störspannungsempfindlichen, high-performance ASICs, GPUs und CPUs. Der Betriebsbereich beträgt -40C bis +125C. 

Diese Teile sind die ersten eines Portfolios von Power-on-Package Lösungen, die sich an die verschiedenen Anforderungen der XPU anpassen lassen.