作者：张国斌
“过去几年，大数据与人工智能产业高速发展，激发了一大批基于大数据与人工智能的应用，如机器学习、图片识别、信号处理，仿真引擎等等。这些应用的出现，对数据中心以及云计算相关的基础架构提出了更高的要求，因为这些新的应用会提出超级大的数据量需求。”5月14日，在MPS新品发布会上，MPS大电流模块产品经理杨恒指出，“传统的基于 CPU 的软件的处理和加速，已经无法满足新型基于人工智能和大数据的应用，所以出现了很多基于GPU、FPGA，ASIC 等这种加速芯片的加速硬件。加速芯片可以提供不少于20倍的加速能力，现在越来越多的数据中心会应用基于加速芯片的硬件加速卡，这些加速卡基本上分为三类：计算加速；存储加速；通讯加速。基本上在数据处理的整个环节都有加速的应用。各大加速芯片制造商也推出了各种基于他们自家芯片的硬件加速卡。如赛灵思就推出了ALVEO系列，应用于数据中心的各个领域，他们还会推出应用在不同领域的加速卡如通信类、金融类等等。随着加速卡的越来越广泛应用，也给电源设计方案提出了更多的挑战！”
加速硬件电源方案四大趋势
他表示加速硬件对于电源方案需求趋势可以总结为四点：
1、迅捷、高效、集成化、可拓展。那么其中迅捷就包括了两点：第一个是说电源解决方案需要有更高的响应速度以适应更大的动态跳变，同时整个电源的解决方案的开发的速度应该非常快以适应更短的加速硬件的研发周期。
2、高效率解决解决方案---即电源方案商需要提供高效率的解决方案，以应对更加紧凑的硬件设计。
3、集成化---由于加速卡的设计非常的紧凑，意味着它的密度会越来越高，就需要厂商提供全集成的模块化设计，这种集成化的模设计就可以极大程度地减少在客户板上的占板面积。这样客户就有更多的板面积可以用作其他的功能，比如说内存、HBM（High‐bandwidth Memory ）等，此外，集成化模块还要提供多路输出电源，就是在同一个封装内加入多个输出，这种多路输出会灵活地匹配日趋复杂，集成度更高的加速芯片。
4、可拓展--可拓展的电源方案可以更灵活搭配 多种加速环境和应用，因为数据和人工智能是在一个加速发展过程中，在这种过程当中会涌现出一批之前完全没有出现过的应用，所以说电源解决方案需要足够灵活，可以迅速地适配这种全新的之前没有出现过的应用。
加速芯片供电架构发展趋势
另外，加速芯片的供电架构也在发生 变化，由于加速硬件在人工智能和大数据领域应用越来越广泛，所以各大加速芯片厂家也都纷纷用更先进的工艺推出了集成度更高的加速芯片。就以FPGA为例，几年前看到的FPGA的工艺制程是28nm，然后他们迅速推广到了16nm，现在最新一代的专门针对加速卡市场推出的加速芯片，已经用到了最先进的7nm制程。这种更先进的制程就可以使它在同样的尺寸内加入更多的逻辑单元，同时由于加入了更多的逻辑单元，会使芯片的整体功率越来越大。另外，由于更先进制程的使用，对于内核电压
的要求则越来越低。同时由于加速芯片厂商为了提供更复杂功能的加速芯片，提供更完善的功能给他们的客户应用在加速卡的场景当中，在应用更先进的工艺的同时，他们也集成了更多的功能单元，如除了加速逻辑单元以外，他们会集成RM处理器以及DSP。然后他们还会加入这种专门优化过的加速引擎。那么这种越来越高的集成化就会造成针对加速芯片的电源解决方案会越来越复杂，就是它需要不同电压、不同路的多路的输入，就是电压轨会越来越多。然后还有一个趋势就是由于各种各样不同的加速应用，为了应对这些不同的加速的应用，首先这些加速芯片的厂商会在同一个系列下的芯片，它会针对不同的应用做出不同的优化，这种优化就会造成加速芯片的电压轨和输入的电流各不相同（和应用是相关的）；另外一点，即便是同一款加速芯片，它在不同应用场合使用到的内部的逻辑资源也是不同的，比方说在某一些应用，同一款加速芯片可能会占用到内部80%的资源，那么它对核供电的电流的要求就基本要求100%，比方说它的满载是120A，那么它可能就需要用到120A。那么在另外一些场合，对于这种加速芯片的逻辑单元就不那么高，那么可能会用到50%的逻辑芯片，那么这样对于核供电的电流要求也会下降，比方说120A的满载，它可能会用到50A，60A。所以说，随着应用的不同，电源解决方案的电压轨的数量，还有电流也是个各不相同的。
他表示另外一个趋势就是：大动态，这种大动态是随着应用调用资源相关的。如下图所示：
这是一个典型的加速芯片对于输入电流和输入电压的要求和波形。典型的输入电压是0.72V，它需要的满载电流是180A。为了满足这个应用环境当中对于资源的调用，就要求负载跳变需要 0A-100A, 这是一个很大的动态，这里说的0-100A是步长；同时呢，它的di/dt（上升沿）也是一个非常快的速率，因为这个速率取决于逻辑单元调用（打开）的速率，假如说它从时间点1到时
间点2，迅速从这个资源要增加逻辑门资源的调用，那么它的Slew Rate就非常得快，所以就造成了FPGA这种内核供电对大动态的要求。在这种大动态电流要求的背景下，输出电压还要不能出现太大的波动，典型的峰峰值应该要求的是<+/-3%。
“为了满足这种要求，我们MPS的产品使用了基于COT的控制架构，在这种多相并联的应用下我们使用的是Multi-Phase，就是多相的COT，它可以在这种大动态的环境下去实时调节开关频率，所以在这种应用环境下是非常有优势的。”他强调。
关于上文提到的电源迅捷趋势他指出对于电源的研发周期需要尽可能的短，由于不同加速应用越来越多，很大程度上，这种加速卡是基于应用来优化和设计的，假如说加速卡厂家不能及时地推出新设计，那么它就有可能错过某一个应用，所以这就对加速卡厂商研发的时间提出了非常高的要求。
而电源产品在这个加速卡研发过程中实际上是占有时间较多，对于传统的分立电源解决方案，要从选型和采购开始，就需要挑选各种器件，包括芯片，包括产品的驱动芯片还有功率管，还需要需要根据不同的电感/电容选择合适的环路补偿，这非常耗时。而且原理图和布局设计也是比较复杂，同时由于有比较复杂的PCB源布线和原理图，那么就会有可能出现风险，出现多次制板的验证。
“我们电源模块的解决方案呢，极大地缩短了这种加速硬件的开发周期。大家可以看到，我们可以在1周内把选型、采购还有原理图设计在2周内全部都完成，然后去制板和组装。这个是由于我们的电源模块做了高程度的集成和优化，那么客户上板以后就不需要再做额外的优化采购的动作，也大大地简化了它的原理图和PCB布线。所以说可以把开发周期极大地缩短。”他指出。“这对于加速厂商来讲，是非常重要的去应对新的加速应用的环境。”
MPS针对加速卡推出的大电流电源模块
基于这样的趋势，MPS推出了瞄准加速卡应用的电源模块，以MPM3695-100 大电流可拓展模块为例，它的主要特点是支持4V-16V 输入; 0.5V-3.3V 输出，它可以支持最大 100A 的输出电流。该解决方案非常紧凑。把功率管控制IC，以及一些被动元件电感电阻全都集成在15x30mmBGA封装中，外围器件很少。
其效率也是很高，在典型的12V 输入, 1V 输出下，最高效率可达90% ，同时它还可以拓展，通过简单的信号线互联，可以从一个100A的解决方案拓展到 800A，这对于加速卡应用来讲是非常友好的。
“从PCB布板的角度来讲，可以看到左边是MPM3695-100它的典型的Layout，它是采用BGA封装的，我们的输入的BGA焊球和输出的BGA焊球位置都是经过优化的，信号线位置都放在旁边，所以说对客户的Layout是非常友好的。它可以非常简单地扩展到800A的解决方案，右边这个图展示的就是一个800A解决方案的Demo板，上面用了是8颗MPM3695-100的模块。”他进一步解释说。
据他介绍，该产品另外一个非常显著的优势就是它的超高速动态响应，基于 Constant‐on‐Time在动态的时候可以针对时钟的频率进行调节，它可以极大地增加动态响应，减少输出电容的尺寸和数量。在高集成化方面，与分立方案相比它可以最多降低70%的占板面积，同时它还是一个数字模块，有数字可编程功能，有MTP，客户可以优化它们的配置，MPS还可以提供提前编程好的模块再出货给客户。
MPS推出的MPM82504则是业界首款四路25A可拓展的电源模块。它跟3695-100是一样的，支持4V-16V 输入; 0.5V-3.3V 输出；其最大优势是这个模块提供了四路 25A 的输出电流，并且可以任意并联，任意并联指的是四
路之间可以并联，同时模块与模块之间也可以并联，这种灵活的解决方案就非常好地适应了高速发展的加速卡应用的环境，可以非常快地适应不同的应用，同时可以通过片间并联来达到和MPM3695-100一样的最多 800A的输出电流。
从上图看它可以提供4路25A的输出电流，同时它可以并联2路形成50A和2路25A的应用，还同时可以并联3路形成75A+25A，最后假如电流更大的话，我们可以并联4路形成100A的解决方案，同时通过片间的并联实现更多电流更灵活输出的解决方案，所以说这种可任意并联可拓展的电源模块可以非常灵活地匹配不同加速芯片对于不同输入电压轨的要求。
“我们可以使用同一个设计，把设计应用在不同的加速卡上面，可以快速地去升级不同的应用，所以这个也是进一步灵活地去匹配这个加速卡硬件厂商对于不同场景的应用。”杨恒指出，“它的另外一个优势就是通过这种高集成化多路输出的电源模块，可以极大改善客户在加速硬件板卡上的占板面积。可以看下首先右边是一个典型的加速芯片的电源架构，那么它一共需要8路输入电源，那么这8路的输入电源假如使用分立的方案，我至少需要6个分立的解决方案，因为这3个0.85V是可以并联在一起的，我需要至少使用6路不同的电源解决的IC。那么使用82504，我们可以通过高集成多路输出的电源模块把它8路输入的电压轨集成在2个模块当中。”
可以看一下左边这个图，上面是分立的解决方案，需要占很大的占板空间，下面这个图是应用82504的示意图，可以看到通过这种高集成性，可以把之前很大的占板空间缩小到2个82504的尺寸，这样就帮客户进一步降低了占板面积。
他表示这种多路输出在加速卡应用的场景非常有优势，客户接受度非常高，一因此MPS同步推出了多款多路输出的电源模块。在多路输出的电源模块的系列当中，分为双路输出和四路输出，双路输出推出了3款产品：3690-20A、3690-30A还有3690-50A，这3个产品是Pin-to-Pin 的，分别提供了双路13A、双路18A和双路25A的输出能力。右边是4路输出的电源模块，我们这回3款新品，电流从低到高是MPM54504是四路5A的电源模块，MPM81204这个电源模块是双路12A+双路5A；MPM82504是4路25A。
他表示MPS未来还会推出多种电源模块，去覆盖更广的应用环境。上图展示了MPS所有最新一代的电源模块。从低压到中压到高压都有覆盖，在电流的输出上从最低的0.6A和1.2A的输出能力，一路到100A，通过100A并联模块可最多支持800A的输出！
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