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Embedded Power für KI

Das letzte Zoll wird beherrschbar

19. Oktober 2020, 16:16 Uhr   |  Ute Häußler

Das letzte Zoll wird beherrschbar
© Vicor

Lev Slutskiy von Vicor

Ob Rechenzentrum, Auto oder Smart Home – KI, Machine Learning und Big Data fordern extrem hohe Rechenleistungen. Ein Interview mit Lev Slutskiy über Power-on-Chip als neue Normalität und wie ein neuer 48-V-PoL-Wandler die Power-Entwicklung für KI beschleunigen soll.

Der neue 48-V-PoL-Regler für Hochleistungsprozessoren soll diese wirksamer mit Strom vorsorgen. Warum ist das so wichtig?

Am Point-of-Load (PoL) geht immer noch zu viel Energie verloren; Wärme entsteht, der Wirkungsgrad sinkt. Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist umso dringender, je kleiner die Systeme, je größer die benötigte Leistung und je mehr die Mini-Hochleistungsrechner lokal betrieben werden. In automatisiert fahrenden Autos beispielsweise werden die Mikrocontroller über den Antriebsstrang gespeist, Energieeffizienz ist eine Schlüsselanforderung. Aber auch in Rechenzentren, die mittlerweile einen hohen Anteil am weltweiten Bedarf an elektrischer Energie haben, wird die Energieeffizienz wichtiger. Je höher die geforderte Prozessorleistung ist, desto größer ist der Energiebedarf. Mit einem maximalen Wirkungsgrad kann der Prozessor besser und schneller mit Strom versorgt werden, KI-Algorithmen können deutlich beschleunigt werden.

Was sind die größten Herausforderungen für die Entwickler einer Stromversorgung zur Versorgung von Mikroprozessoren?

Vicor Power on Package
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Bild 1. Bei steigenden Schaltleistungen und Stromstärken nehmen die Verluste der Prozessorstromversorgung bisher zu, der Wirkungsgrad sinkt.

Wir reden hier von einem sehr kleinen Bauraum, von Stromversorgungsarchitekturen direkt auf der Prozessor-Platine. Das „letzte Zoll“, also die letzten Millimeter vom Spannungsregler zum Prozessor sind dabei am schwierigsten (Bild 1). In High-End-Applikationen sind die Prozessor-Betriebsströme auf viele hundert Ampere gestiegen. Verhindert ein geringer Wirkungsgrad die optimal notwendige Stromversorgung, verlangsamt der Prozessor seine Betriebsfrequenz, seine Rechenleistung erstickt quasi. Für die Stromversorgung des Prozessors müssen mehrere Leiterbahnen mit mini­maler parasitärer Kapazität und Induktivität entworfen werden. Das braucht Zeit, zumal oft mehrere hundert Pins gebraucht werden. Das PDN (Power Delivery Network) ist der limitierende Faktor für die Prozessorleistung und damit des gesamten Systems (Bild 2).

Vicor Power on Package
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Bild 2. Bei steigenden Schaltleistungen und Stromstärken nehmen die Verluste der Prozessorstromversorgung bisher zu, der Wirkungsgrad sinkt.

Herkömmliche PoL-Wandler begrenzen also die Hochleistungsprozessoren?

Nicht nur das. Herkömmliche mehrphasige Spannungsregler, deren niedrige Leistungsdichte sowie deren Größe verbieten die Nähe zum Prozessor, mit bis zu 32 PoL-Kompontenten wird auch die Entwicklung langwieriger. Die technische Herausforderung nimmt mit höheren Stromstärken zu. Die zusätzlichen Phasen führen zudem häufig zu Unsymmetrien. Bei hoher Schaltfrequenz kommt es oft zu hochfrequenten Störspannungen.

Wie erreicht der Vicor-PoL-Regler mehr Leistungs­-dichte und einen besseren Wirkungsgrad?

Wir haben in den letzten Jahren viel Entwicklungsaufwand in die Factorized Power Architecture (FPA) gesteckt und diese an die Stromversorgung von Mikroprozessoren angepasst. Der neue Wandler kann eine hohe Stromstärke direkt an das IC-Gehäuse liefern. Unsere MCM-Schaltung (Modular Current Multiplier) erzeugt wenig hochfrequente Störspannungen, da sie keine in Induktivitäten gespeicherte Energie wie eine herkömmliche Mehrphasenschaltung verwendet, nutzt eine hohe Schaltfrequenz und ein spezielles Packaging – die Störspannung wird nicht übertragen. Wir sprechen hier über eine 48-V-Spannungsversorgung mit 650 A Dauerstrom und bis zu 1200 A Spitzenstrom, der PDN-Widerstand konnte um den Faktor 50 reduziert werden, die Pin-Anzahl um den Faktor 10.

Mit welchen konkreten Werten können Kunden rechnen?

Das kommt auf die gewählte Bauform an. Abhängig von der Höhe ihrer Prozessorströme können Kunden zwischen einem lateralen und einem vertikalen Aufbau wählen. Der PDN-Widerstand des Power-on-Packages liegt um die 50 µΩ beim lateralen Aufbau und um die 10 µΩ beim vertikalen Aufbau. Die PDN-Reduzierung ist auf die hohe Leistungsdichte des MCM-Moduls zurückzuführen, die eine Platzierung viel näher am Prozessor ermöglicht als jede herkömmliche Stromversorgung. Durch Nutzung von 48 V muss bei gleicher Leistung nur ein Viertel des sonst bei 12 V nötigen Stroms zugeführt werden. Das ermöglicht kleinere Kupferleiter und kleinere Steckverbinder.

Der neue PoL-Wandler beschleunigt nicht nur die KI, sondern vereinfacht auch das Board-Design?

Mit mehreren angenehmen Nebeneffekten. Ein Wandler-IC besteht aus dem MCM-PoL-Baustein und zwei SM-Chip-Modulen (je 46 x 9 mm2). Ein CTO-Baustein (6 x 6 mm2) sorgt für die Kommunikation zwischen dem Prozessor und dem PoL-Regler. Der PoL-Regler kann mit kleiner Grundfläche und flacher Bauform beliebig auf der Hauptplatine platziert werden, wogegen der kritische Strommultiplikator auf Leistungsdichte, Wirkungsgrad und auf Störfestigkeit optimiert ist und in extrem kurzer Entfernung zum Prozessor platziert werden kann. Die MCMs haben ein niedrigeres Profil von 2,8 mm, sodass sie in Bereiche passen, in die herkömmliche mehrphasige PoL-Spannungsregler nicht passen, etwa unter dem Stiffener. Der Aufbau ist hochintegriert im Vergleich zu konventionellen Mehrphasenwandlern. Aufgrund der Multiplikatorfunktion des MCM-Moduls kann der Ausgangsstrom als proportionaler Wert des primärseitigen MCM-Stroms gemessen werden. Anstatt den Ausgangsstrom am MCM-Modul zu messen, zum Beispiel 480 A, wird der Eingangsstrom gemessen, nur 10 A. Ein präziser Strommesswiderstand auf der Primärseite ermöglicht dann eine genauere Erfassung des Ausgangsstroms im Vergleich zu typischen FET-Messmethoden, wie etwa die Nutzung des RDS(on) als Strommesswiderstand.

Wie unterscheiden sich die erwähnte laterale und vertikale Bauform und für welche Stromstärken eignen sie sich?

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Bild 3. Lateral aufgebaute PoL-Wandler-Architektur für Hochleistungsprozessoren.

Der laterale Aufbau wurde für OCP-Accelerator-Module (Open Compute Project) und kundenspezifische AI-Module entwickelt (Bild 3). Der Hauptunterschied zwischen Lateral Power Delivery (LPD) und Vertical Power Delivery (VPD) besteht darin, dass bei der vertikalen Variante die Leistungsumwandlung näher an die Last rückt und bei extrem hohen Prozessorströmen somit ein nochmals 10-fach reduzierter PDN-Widerstand erreicht wird. Die Platinenverluste reduzieren sich und der Wirkungsgrad steigt weiter. Im VPD-Aufbau ist das Multiplikator-Modul direkt unter dem Prozessor platziert, mit dem Vorteil, dass auf der PCB-Oberseite Platz für E/A-Module mit hohen Datenraten und weitere Speicher frei wird (Bild 4). Zudem ist die Hochfrequenz-Bypass-Kapazität in das mit dem MCM verbundene Gehäuse integriert, so kann der Abstand zwischen den MCM-Output-Pins und den Stromversorgungs-Pins des Prozessors geändert werden. Die Output-Pins sind an die spezifische Stromversorgung des Prozessors oder ASICs angepasst, um die Leistung zu maximieren. So können aktuell Prozessorströme bis zu 1200 A sicher gehandhabt werden.

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Bild 4. Im vertikalen Aufbau rückt die Leistungswandlung noch näher an die Last.

Über den Autor: Lev Slutskiy hat über 40 Jahre Technikerfahrung und ein Diplom der Universität für Telekommunikation St. Petersburg. Nach Stationen bei Siemens sowie Siemens Nokia kümmert sich Lev Slutskiy seit acht Jahren um den technischen Vertrieb für Stromversorgungen und High Performance Computing bei Vicor.

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