适配数据中心硬件加速的全新电源解决方案
编者按：随着全球数字经济的不断发展 ， 数据计算任务快速爆发 ， 让承载云计算应用的各类型数据中心与私有服务器对于数据处理的需求与速度更是到达了前所未有高度 ， 由此出现了各类计算加速芯片与加速硬件 ， 这些又对其电源供电系统的性能需求提出了更高的要求 。
日前 ， MPS公司推出了聚焦于大电流与多输出应用场景的电源模块产品 ， 给数据中心以及硬件加速卡提供了全新完整的电源解决方案 。
传统的基于CPU的软件处理和加速 ， 已经无法满足基于人工智能和大数据的计算需求 。为了解决数据处理的瓶颈问题 ， 就出现了很多基于GPU、FPGA ， ASIC等加速芯片的加速硬件 ， 用来增加数据处理的带宽和速度 。
看到加速卡市场的巨大潜力 ， 现在各大加速芯片的制造商也推出了各种基于他们自家芯片的硬件加速卡 。数据中心和云计算对于这种加速卡的应用越来越多 ， 那么这种加速卡的越来越广泛的应用 ， 也给电源设计方案提出了更多的挑战 。
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MPS公司大电流模块产品经理杨恒详
加速硬件电源四大趋势
为了应对加速硬件对于电源供电的需求 ， 电源解决方案正在向着高响应、高效、集成化、可拓展四个特征方向创新 。MPS公司大电流模块产品经理杨恒详细解释了上述四大趋势 。
1、高响应
【适配数据中心硬件加速的全新电源解决方案】要从两个方面理解“高响应”这一特征 ， 首先是指电源的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时间应该能够满足企业需求 ， 以适应更短的加速硬件的研发周期 。
2、高效
高效就是指高效率的电源解决方案 ， 以应对更加紧凑的硬件设计 。
加速卡的设计非常紧凑 ， 密度会越来越高 ， 就需要电源厂商能够提供全集成的模块化设计 ， 这种模块化设计需要集成电源管理的芯片、功率管以及电容电阻类的被动元件 ， 这种高集成化就可以极大程度地减少在客户板上的占板面积 。
3、集成化
电源解决方案集成化是指要有多路输出能力 ， 要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 。
大数据和人工智能是在一个加速发展的过程当中 ， 在这一过程中就会涌现出一批之前完全没有出现过的应用 ， 所以电源解决方案就需要足够灵活性 ， 可以迅速地适配之前没有出现过的新应用 。
MPS公司的应对之策
面对加速卡应用针对电源解决方案提出的四大挑战 ， MPS公司通过积极的技术创新加以应对 。MPS公司大电流模块产品经理杨恒详表示 ， 全新的MPS电源模块聚焦于大电流与多输出应用场景 ， 给数据中心以及硬件加速卡提供完整的电源解决方案 。
1.、PS独特的COT（constant-on-time）以及MCOT(multi-phaseconstant-on-time)控制方法 ， 可以实现大动态负载下的高速响应(Agility) ， 极大地减少了输出电容的数量 ， 减低了客户的BOM成本 。
以MPM3695-100四模块并联应用为例 ， 如图一所示 ， 对于12V输入 ， 0.75V输出 ， 0A-250A的负载大动态切换（100A/us） ， MPS电源模块可以超快速响应 ， 实现不超过+/-3%的输出电压偏移 。MPS电源模块的高响应速度帮助客户完美解决了各类加速芯片对于输入电压精度的高要求以及由于计算负载切换而产生的大动态电流的矛盾 。
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2、MPS单晶圆多路输出的芯片设计以及先进封装工艺的应用 ， 使MPS电源模块在提供高效率转换（Efficient）的同时还具有高度集成性（Integration） ， 从而减少客户占板面积和成本 。随着人工智能在多领域广泛应用 ， 硬件加速芯片也在片内集成了更多的功能单元 ， 如高带宽内存（HBM） ， 数模转换器（ADC） ， 加速引擎等 。更高的加速芯片集成性对于供电系统的设计也提出了挑战 。加速芯片中的多个功能单元需要多路电源输入 ， 同时对于电压、电流的要求也各不相同 。假如使用多个分立的供电芯片或者模块供电 ， 会极大的增加电源部分的占板面积 ， 使原本已经非常紧凑的加速硬件设计更为困难 。为了应对以上挑战 ， MPS推出了多种多路输出电源模块 ， 采用先进封装技术集成了多路输出的功率芯片与被动元器件 ， 提供了全集成的模块解决方案 。其中 ， 业界首款四路电源模块MPM82504完美地诠释了这一优势 ， 如图2所示 ， 该产品为四路25A电源模块 ， 同时可实现并联两路 ， 三路 ， 四路 ， 也可以多个MPM82504模块并联 ， 实现更灵活的输出组合 。
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图2：MPM82504四路输出可拓展电源模块 ， 支持多路并联及多模块并联
MPS具有多种全集成多路输出电源模块 ， 包括双路输出、四路输出产品 ， 为更多的应用提供了完整解决方案 。图3展示MPS多路输出模块的规格 ， 其中双路输出模块MPM3690系列产品有三种输出规格可选 ， 它的双路EN/PG管脚可用作时序控制 。四路输出模块MPM81204是一款双路12A/双路5A电源模块 ， 具有高速动态响应 ， 外部元件极其简单 ， 非常适合5G信号收发器等应用 。当然还有曾荣获“年度电源管理/电压转换器”称号的MPM54304（首款带数字电源管理功能的电源模块） ， 以及它的升级款MPM54504-四路5A电源模块等一系列优秀产品 。
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图3：MPS多路输出电源模块规格
3、多路可并联电源模块为加速芯片日益增加的电流需求提供了可拓展性（Scalable） ， 为不同场景下多路电源及不同电流的需求提供了单一模块的解决方案 ， 进一步减少了客户新产品的研发成本及时间 ， 同时可快速匹配加速芯片厂商对于不同的加速场景所推出的各类芯片 。由于各个芯片对于供电电流和电压轨数量各不相同 ， 加速硬件厂商需要针对不同的加速芯片重新设计电源方案 ， 增加了产品研发时间和成本 。为了实现加速硬件对于不同加速芯片供电方案的快速设计 ， MPS推出了多款可拓展的电源模块 。这样 ， 加速硬件设计师就可以重复使用单一电源模块的设计 ， 通过并联电源模块的多个输出或并联多个模块来实现输出电流的拓展 。以MPM3695-100为例 ， 该产品可以由单模块100A输出扩展为：双模块200A ， 3模块300A ， 最多8模块并联800A输出等供电方案 ， 以支持更广泛的系统要求 。图3展示了该模块在8模块并联的应用 。
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图4：MPM3695-1008模块并联800A解决方案
在应对云计算与硬件加速对供电系统提出的四个趋势上 ， MPS电源模块优势独特 ， 可以帮助客户成功、快速地开发高集成性、可扩展、高效率的解决方案 。作为一家全球领先的半导体供应商 ， MPS凭借敏锐的洞察力和丰厚的经验可以满足云计算硬件加速客户的严格要求 ， 提供的电源模块方案可以全面覆盖电压与电流范围 。
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