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來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semianalysis，謝謝。
AI加速器對(duì)電力需求日益增加。Nvidia H100的熱設(shè)計(jì)功率（TDP）為700瓦特（W），而全球最常安裝的數(shù)據(jù)中心CPU，Intel Skylake/Cascade Lake的TDP則低于200W。下一代芯片將需要更多功率來(lái)支持更高的計(jì)算密度。這將需要機(jī)架級(jí)別的功率超過(guò)200千瓦，而目前傳統(tǒng)CPU服務(wù)器機(jī)架的功率只有15-20千瓦。
隨著功率的增加，需要解決更多挑戰(zhàn)。特別是，更高的功率導(dǎo)致了不成比例的傳輸和轉(zhuǎn)換損耗，即被浪費(fèi)的功率。由于電力成本是數(shù)據(jù)中心最大的費(fèi)用之一，減少功率損耗對(duì)于提高總擁有成本（TCO）至關(guān)重要。因此，我們現(xiàn)在看到功率傳遞網(wǎng)絡(luò)從機(jī)架級(jí)別到芯片級(jí)別被重新設(shè)計(jì)，以解決AI訓(xùn)練和推理等高功率計(jì)算負(fù)載中的這個(gè)問(wèn)題。
先進(jìn)的功率傳遞架構(gòu)的主要目的是提高效率。今天我們將深入探討這個(gè)主題的技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)格局。功率傳遞公司Vicor在這一趨勢(shì)下受益最多。在過(guò)去的十年里，Vicor從供應(yīng)普通功率組件的供應(yīng)商發(fā)展為參與先進(jìn)數(shù)據(jù)中心電源應(yīng)用的公司，在各種超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)架級(jí)功率解決方案和Nvidia、谷歌、AMD、Cerebras、特斯拉和英特爾的AI加速器中獲得設(shè)計(jì)勝利。
然而，由于電力市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，Vicor的命運(yùn)近期迅速發(fā)生了變化。一年多前，我們獨(dú)家發(fā)現(xiàn)和披露，單片功率系統(tǒng)公司成功取代Vicor成為Nvidia H100 GPU的供應(yīng)商。此外，Vicor的第二大客戶的關(guān)系也變得動(dòng)蕩不安。此外，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)架功率解決方案也發(fā)生了許多變化，包括多個(gè)新競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（MPS、Delta、Renesas、ADI）。
這個(gè)故事一直變化不定，Vicor的未來(lái)角色變成了一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)。最近的新聞，Vicor對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的訴訟，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的部署，以及公司領(lǐng)導(dǎo)層的不可思議的聲明都給了雙方有力的支持。
今天我們將介紹一下功率傳遞的基礎(chǔ)知識(shí)，Vicor的技術(shù)領(lǐng)先地位，我們對(duì)Vicor的因式分解電源架構(gòu)和垂直電源傳遞技術(shù)的評(píng)估，重要的設(shè)計(jì)勝利，包括Vicor是否在H100或TPUv5中的細(xì)節(jié)，Vicor在汽車行業(yè)的潛力，以及對(duì)他們的長(zhǎng)期影響。我們還將分享我們對(duì)他們的4個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（MPS、Delta、Renesas和ADI）的看法，以及目前正在爆發(fā)的法律戰(zhàn)爭(zhēng)。
芯片的電源傳輸簡(jiǎn)介
電力在交流（AC）網(wǎng)格中以高達(dá)數(shù)十萬(wàn)的電壓產(chǎn)生和傳輸。計(jì)算和存儲(chǔ)芯片需要穩(wěn)定且干凈的低電壓直流（DC）電源。過(guò)多的電壓會(huì)使芯片的精密電路超負(fù)荷和損壞。電壓過(guò)低，芯片的電路將無(wú)法正確切換。變壓器、電源單元（PSU）和電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）的任務(wù)是將正確類型的電源傳遞給芯片。隨著功率需求的增加，高效的電源傳遞也變得更具挑戰(zhàn)性。
在像GPU或CPU這樣的電路中，有四個(gè)主要的值：功率、電流、電壓和電阻。功率（P）是每單位時(shí)間使用的能量的測(cè)量，通常用瓦特（W）表示。電流是電子流動(dòng)的量的測(cè)量，或者換句話說(shuō)，電子的流動(dòng)速率。電流（I或A）通常用安培（A）表示。電壓（V）是兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差。你可以把電壓想象成推動(dòng)電子通過(guò)回路的壓力。
電壓通常以伏特（V）為單位給出。最后，我們有電阻（R），通常以歐姆（Ω）為單位給出，它表示電流在材料中流動(dòng)的難度。為了使用這些值，我們需要?dú)W姆定律，我們將重點(diǎn)討論歐姆定律的兩種不同形式。第一種形式是P = I * V，簡(jiǎn)單地表示功率等于電流乘以電壓。第二種形式是P = R * I^2，意味著功率還等于電阻乘以電流的平方。
硅運(yùn)行在約1V直流或更低的低電壓下。為追求功率效率，設(shè)計(jì)正在轉(zhuǎn)向較低的時(shí)鐘速度和較低的工作電壓，以在性能/功率曲線的更高效段運(yùn)行。
然而，在低電壓和高電流下輸送電力會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗（I^2R）來(lái)自電力線的電阻。最小化功率損耗的關(guān)鍵是以更高的電壓和較低的電流來(lái)傳輸電力，然后盡可能靠近活動(dòng)硅降低電壓。
什么構(gòu)成了電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）？
VRM是一個(gè)重要的部件組合，它將系統(tǒng)電源單元（PSU）的輸入電壓轉(zhuǎn)換為正確的電壓來(lái)供電SoC。通常情況下，我們會(huì)在包含芯片的PCB上看到VRM，雖然在一些罕見(jiàn)的情況下，這些組件可能位于芯片本身上，甚至集成在硅上。現(xiàn)代VRM由三個(gè)主要部分組成：電容器、電感和功率級(jí)。電容器儲(chǔ)存電能，然后以恒定的速率釋放能量，平滑傳送給處理器的電力。電感用于抵抗電流變化，防止大量電流沖擊殺死處理器。
最后，而且可以說(shuō)是VRM中最重要的部分是功率級(jí)，它將來(lái)自電源單元（PSU）的輸入電壓（例如12伏特）轉(zhuǎn)換為處理器所需的電壓。在CPU上，所需的電壓通常是傳統(tǒng)上的1.2至1.8伏特，而在GPU或大型FPGA、ASIC或AI加速器上，該電壓范圍為0.8至1.0伏特。
更高功率，更低效率
隨著未來(lái)架構(gòu)和工藝技術(shù)中用于供電SoC的電壓降低，為了保持相同的功率，電流需要按電壓降低的相同倍數(shù)增加。例如，讓我們來(lái)看一個(gè)功率為240瓦的AMD Genoa CPU，其工作電壓為1.2伏特。將輸入從12伏特降至1.2伏特（降低10倍）以供給芯片，這意味著電流需要從12伏特時(shí)的20安培增加到1.2伏特時(shí)的200安培（增加10倍）以保持相同的功率水平。
相比之下，一個(gè)功率為700瓦的GPU的工作電壓為0.8伏特。如果將輸入從12伏特降至0.8伏特（降低15倍）以供給芯片，那么電流需要從12伏特時(shí)的60安培增加到0.8伏特時(shí)的875安培（增加15倍）。與功耗較低的CPU相比，GPU的電流要高得多。較高的電流意味著較高的電阻損耗，這可以從P = R * I^2的公式中得知（損耗等于電阻乘以電流的平方）。
隨著電壓降至0.8伏特，電阻急劇惡化：電流增加了15倍，導(dǎo)致電阻損耗呈指數(shù)級(jí)增加，達(dá)到225倍。這說(shuō)明效率損耗在最近幾代數(shù)據(jù)中心芯片中已成為一個(gè)重大問(wèn)題。隨著電壓繼續(xù)隨著工藝縮小和封裝變得更大，對(duì)高級(jí)封裝需求更高，這個(gè)問(wèn)題只會(huì)變得更嚴(yán)重。
48V的興起
為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開始使用更高的輸入電壓。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，12伏特直流（DC）電源一直是電子產(chǎn)品電源單元（PSU）提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓。在過(guò)去，由于功率較低，12伏特工作得足夠好，因此導(dǎo)致的效率損失微不足道。隨著行業(yè)對(duì)功率較高、電壓較低的SoC需求增加，效率受到雙重打擊。這些效率損失超過(guò)了相對(duì)廉價(jià)且普遍存在的12伏特元件所帶來(lái)的好處。
從12伏特轉(zhuǎn)換到48伏特意味著只需要4分之1的電流，因此損失將降低16倍（4^2）。這就是為什么許多公司開始轉(zhuǎn)向48伏特電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的原因。但如果你最終要降到1伏特，這有什么意義呢？
將48伏特電壓降至SoC電壓的距離更近，所以導(dǎo)線長(zhǎng)度更短。較長(zhǎng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致更大的電阻損耗。因此，只將48伏特輸入電壓降至盡可能接近負(fù)載點(diǎn)，其結(jié)果是總體電阻損耗更低。
谷歌是第一個(gè)在2016年左右在其數(shù)據(jù)中心采用48伏特電源的超大規(guī)模云服務(wù)提供商，并推動(dòng)將48伏特電源在OpenCompute聯(lián)盟中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
Vicor的崛起
作為回應(yīng)，芯片公司和原始設(shè)備制造商（OEM）在其主板上放置了48伏特輸入的電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）。主要受益者是Vicor。雖然早前在電信設(shè)備中已有一個(gè)成熟的48伏特生態(tài)系統(tǒng)，但那是負(fù)電壓，而數(shù)據(jù)中心需要正電壓。Vicor是為計(jì)算用例提供48伏特VRM的主要供應(yīng)商。
為了實(shí)現(xiàn)這種變化，電源單元將機(jī)架接收的380伏特交流電轉(zhuǎn)換為48伏特直流電。隨著數(shù)據(jù)中心在機(jī)架上提供48伏特電源，這也促使服務(wù)器主板開始采用48伏特輸入，以便能夠接受這個(gè)48伏特的輸入電壓并將其降壓?；蛘?，為了使傳統(tǒng)的12伏特主板工作，還需要一個(gè)中間組件將48伏特降壓為12伏特?；旧希葱枰?8伏特的輸出電壓，要么需要48伏特的輸入電壓，而Vicor是首家進(jìn)入市場(chǎng)的公司。
Vicor的 48V 系統(tǒng)
在2018年，Vicor首次在主流商用硅芯片上取得了勝利，其設(shè)計(jì)贏得了Nvidia的V100 SXM3刷新項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用了Vicor的48伏特電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）組件。接著是A100，整個(gè)產(chǎn)品線都采用了Vicor的部件用于VRM。谷歌也在與V100類似的時(shí)間框架內(nèi)采用了Vicor的產(chǎn)品用于TPU（張量處理單元）。這進(jìn)一步鞏固了Vicor在48伏特領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，并表明Vicor是高性能電源傳輸?shù)奈磥?lái)之路。
然而，隨后Vicor在H100中被Monolithic Power Systems (MPS)替代，這打破了之前的局面，SemiAnalysis首先報(bào)道了這一消息。此獨(dú)家報(bào)道導(dǎo)致Vicor的股價(jià)在發(fā)布后的第二天下跌超過(guò)20%，在接下來(lái)的一年里又下跌了30%，這主要是因?yàn)镹vidia對(duì)Vicor收入的巨大貢獻(xiàn)。直至今日，Vicor仍未大量發(fā)貨給Nvidia的H100項(xiàng)目，該項(xiàng)目正在大規(guī)模推進(jìn)中。
上周，Vicor的首席執(zhí)行官在聲稱其產(chǎn)品重新進(jìn)入客戶的基礎(chǔ)平臺(tái)的同時(shí)，還對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提起訴訟，導(dǎo)致了一次巨大的空頭擠壓。需要明確的是，首席執(zhí)行官在一年多前向分析員表示他們會(huì)重新進(jìn)入客戶基礎(chǔ)平臺(tái)，但至今訂單仍未到來(lái)。
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