AI 數(shù)據(jù)中心最先被看見(jiàn)的,還是 GPU。

但 GPU、加速卡和電源模塊被裝進(jìn)同一個(gè)機(jī)柜后,單柜輸入功率會(huì)增加。電流變大,線(xiàn)纜、連接器、母線(xiàn)、電源模塊和散熱系統(tǒng)都會(huì)先感受到壓力。算力芯片還能繼續(xù)增加,供電不能只靠加粗線(xiàn)纜、增加電源模塊和堆散熱片來(lái)硬撐。

800V 進(jìn)入 AI 數(shù)據(jù)中心討論,就是在解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)數(shù)字背后是一段很具體的供電路徑:電從機(jī)柜入口進(jìn)來(lái),先經(jīng)過(guò)熱插拔和保護(hù),再進(jìn)入中間母線(xiàn)和電源模塊,最后由板級(jí)電源送到 GPU、CPU 和加速器附近。每一段都要重新計(jì)算電流、損耗、發(fā)熱、隔離和保護(hù)。

單柜耗電增加,低壓大電流先卡在線(xiàn)纜、連接器和散熱上

過(guò)去數(shù)據(jù)中心也在做電源升級(jí),但這一輪壓力更集中。AI 服務(wù)器的單機(jī)功耗增加以后,一個(gè)機(jī)柜里要承載的輸入功率更高。電壓不變時(shí),要送同樣多的功率,就需要更大的電流。

電流一大,問(wèn)題會(huì)很直接。線(xiàn)纜要更粗,連接器和母線(xiàn)要承受更高電流,電源模塊的導(dǎo)通損耗和溫升會(huì)上來(lái),機(jī)柜里的布線(xiàn)和風(fēng)道也會(huì)變難。機(jī)柜空間有限,線(xiàn)纜不能無(wú)限加粗,散熱風(fēng)量也不能無(wú)限增加。

提高機(jī)柜側(cè)供電電壓,可以在同等功率下降低電流。電流降下來(lái),線(xiàn)纜、連接器、銅排和部分電源模塊的損耗會(huì)減輕,布線(xiàn)和散熱壓力也會(huì)下降。但電壓抬高以后,高壓隔離、輸入保護(hù)、熱插拔、故障檢測(cè)和維護(hù)安全都要一起重新設(shè)計(jì)。

提高電壓只是第一步。800V 進(jìn)入系統(tǒng)后,機(jī)柜輸入、中間母線(xiàn)、板級(jí)電源、熱插拔、遙測(cè)和保護(hù)這些環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求都會(huì)跟著變化。

高壓電進(jìn)入機(jī)柜后,還要一路降到 GPU 附近

AI 數(shù)據(jù)中心討論 800V,不能只看機(jī)柜入口。高壓電進(jìn)入機(jī)柜后,通常還要經(jīng)過(guò)熱插拔控制、隔離母線(xiàn)轉(zhuǎn)換、中間電壓分配和板級(jí)多相降壓,最后才到 GPU、CPU、內(nèi)存和加速器附近。

越靠近負(fù)載,電壓越低,電流越大。GPU 負(fù)載變化很快,板級(jí)電源需要快速響應(yīng);響應(yīng)慢了,電壓波動(dòng)、紋波、溫升和保護(hù)動(dòng)作都會(huì)變得難處理。

機(jī)柜側(cè)要處理高壓輸入、連接器、浪涌電流、熱插拔和安全保護(hù)。中間母線(xiàn)要把高壓轉(zhuǎn)換到服務(wù)器內(nèi)部更容易使用的電壓。板級(jí)電源要靠近 GPU、CPU 和加速器,把電壓繼續(xù)降到芯片需要的范圍。

熱插拔、遙測(cè)、保護(hù)和隔離驅(qū)動(dòng)也要一起算進(jìn)設(shè)計(jì)。AI 服務(wù)器功耗高,停機(jī)成本高,電源模塊能不能安全插拔,電壓、電流和溫度能不能被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),過(guò)流、過(guò)溫和短路能不能快速切斷,都會(huì)影響整機(jī)可靠性。

TI 想占住的,是從機(jī)柜入口到算力芯片的供電設(shè)計(jì)

TI 這次把 800V 放進(jìn)了 AI 數(shù)據(jù)中心的完整供電路徑里。高壓電進(jìn)入機(jī)柜后,要經(jīng)過(guò)隔離、中間轉(zhuǎn)換和板級(jí)供電,最后送到 GPU、CPU 和加速器附近。轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)、模塊位置、遙測(cè)和保護(hù)設(shè)計(jì),都會(huì)影響整柜效率和長(zhǎng)期可靠性。

TI 在 800V DC 電源架構(gòu)中,把 800V 熱插拔控制器、800V 到 6V 隔離母線(xiàn)轉(zhuǎn)換、6V 到低于 1V 的多相降壓、遙測(cè)和保護(hù)放在一起展示。公開(kāi)資料顯示,這套架構(gòu)把 800V 到處理器供電壓縮到兩級(jí)轉(zhuǎn)換:先從 800V 轉(zhuǎn)到 6V,再?gòu)?6V 降到 GPU 核心所需的低電壓。

這和 TI 近幾年在應(yīng)用市場(chǎng)上的表達(dá)方向是一致的。它希望市場(chǎng)在談一個(gè)具體應(yīng)用時(shí),能把單顆器件和實(shí)際工程問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。放到 AI 數(shù)據(jù)中心這條線(xiàn)里,TI 想讓市場(chǎng)記住的是:電要從機(jī)柜入口穩(wěn)定、高效地送到算力芯片附近。

這件事對(duì) TI 很關(guān)鍵。AI 數(shù)據(jù)中心的注意力仍然在 GPU 和算力平臺(tái)上,但 GPU 的供電電流、板級(jí)熱設(shè)計(jì)、電源轉(zhuǎn)換效率和故障保護(hù)會(huì)影響整機(jī)密度和運(yùn)行穩(wěn)定性。TI 要爭(zhēng)取的是這個(gè)工程問(wèn)題:當(dāng)行業(yè)討論 AI 基礎(chǔ)設(shè)施時(shí),不只討論算力,也討論電能不能穩(wěn)定送到算力芯片附近。

客戶(hù)最后會(huì)看工程落地。高壓輸入能不能保護(hù)住,中間電壓能不能高效轉(zhuǎn)換,板級(jí)電源能不能貼近 GPU 和加速器,遙測(cè)數(shù)據(jù)能不能及時(shí)暴露異常,保護(hù)動(dòng)作能不能在故障擴(kuò)大前切斷,這些都會(huì)影響 AI 集群能不能長(zhǎng)期運(yùn)行。

onsemi 對(duì)應(yīng)高功率轉(zhuǎn)換和功率器件

onsemi 這類(lèi)公司主要對(duì)應(yīng)高功率轉(zhuǎn)換和功率器件。

AI 服務(wù)器和機(jī)柜的輸入功率增加以后,中間 DC/DC 轉(zhuǎn)換、高功率電源模塊和功率級(jí)器件會(huì)更吃力。這里要同時(shí)處理耐壓、電流、開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、溫升和長(zhǎng)期可靠性。器件損耗高,熱就壓不住;開(kāi)關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)配合不好,轉(zhuǎn)換效率和體積都會(huì)受影響;可靠性不足,長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行就有風(fēng)險(xiǎn)。

SiC、GaN 等功率器件在這個(gè)時(shí)候被更多討論,原因也在這里。AI 數(shù)據(jù)中心要完成電壓轉(zhuǎn)換,還要在更小空間里完成更高功率輸出,并把損耗、發(fā)熱和體積控制住。

onsemi 的機(jī)會(huì)更容易落在這些具體問(wèn)題上:高功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)用什么功率器件,開(kāi)關(guān)損耗怎么降,封裝和散熱怎么處理,高溫和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的可靠性怎么保證。這些問(wèn)題會(huì)直接影響單柜能不能裝得更密,電源效率能不能提高,散熱能不能壓住。

ADI 和 Allegro 對(duì)應(yīng)板級(jí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)

電從機(jī)柜一路走到板級(jí)以后,問(wèn)題會(huì)變得更細(xì),也更接近整機(jī)穩(wěn)定性。

板級(jí)電源要給 GPU、CPU、內(nèi)存和加速器供電。負(fù)載變化快,電流大,板上空間有限。這里需要更準(zhǔn)確的電流檢測(cè)、更快的保護(hù)響應(yīng)、更可靠的熱插拔、更完整的電壓、電流、溫度和功耗數(shù)據(jù),也需要穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)和隔離。

ADI 更容易出現(xiàn)在熱插拔、遙測(cè)、多相控制、電源監(jiān)測(cè)和保護(hù)這些環(huán)節(jié)。AI 服務(wù)器運(yùn)行時(shí),整機(jī)需要知道每個(gè)電源模塊的電壓、電流、溫度和故障狀態(tài)。數(shù)據(jù)看不準(zhǔn),保護(hù)動(dòng)作就可能不及時(shí);狀態(tài)看不全,運(yùn)維和調(diào)試也會(huì)變難。

Allegro 主要對(duì)應(yīng)高電流檢測(cè)和隔離柵極驅(qū)動(dòng)。電流檢測(cè)會(huì)影響過(guò)流保護(hù)、功率控制和效率判斷。隔離驅(qū)動(dòng)要在高壓、高噪聲環(huán)境里穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)功率器件,同時(shí)保證高壓側(cè)和低壓控制側(cè)之間的安全隔離。

這些環(huán)節(jié)看起來(lái)沒(méi)有 GPU 顯眼,但在高功率 AI 服務(wù)器里,電流檢測(cè)不準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)、保護(hù)動(dòng)作慢,都會(huì)影響整機(jī)效率、故障處理和長(zhǎng)期可靠性。

800V 改變的是電源設(shè)計(jì)里的壓力分布

800V 不會(huì)讓電源設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單,它只是改變了壓力分布:機(jī)柜側(cè)電流下降,高壓保護(hù)、隔離、中間轉(zhuǎn)換和板級(jí)供電的要求同時(shí)提高。

電一路降到板級(jí)以后,低壓大電流的問(wèn)題仍然存在。GPU 核心附近仍然需要多相降壓,仍然要處理大電流、快速負(fù)載變化、發(fā)熱、紋波、布局和保護(hù)響應(yīng)。

這也解釋了為什么 TI、onsemi、ADI、Allegro 這類(lèi)公司會(huì)重新進(jìn)入 AI 數(shù)據(jù)中心討論。算力芯片決定 AI 服務(wù)器的計(jì)算上限,但電能不能穩(wěn)定送到 GPU 和加速器附近,會(huì)影響單柜部署密度、電源效率、散熱設(shè)計(jì)和整機(jī)可靠性。

客戶(hù)最后會(huì)看供電路徑能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行

GPU 還會(huì)繼續(xù)是 AI 數(shù)據(jù)中心里最受關(guān)注的器件。

但 AI 服務(wù)器越裝越密,單柜輸入功率增加以后,電源設(shè)計(jì)會(huì)越來(lái)越影響整機(jī)方案。高壓輸入怎么接入機(jī)柜,中間母線(xiàn)怎么降壓,板級(jí)電源怎么靠近 GPU,熱插拔和保護(hù)怎么保證維護(hù)安全,遙測(cè)數(shù)據(jù)怎么幫助發(fā)現(xiàn)異常,這些都會(huì)進(jìn)入客戶(hù)評(píng)估。

后面拉開(kāi)差距的,會(huì)是整套供電路徑能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,單個(gè)器件參數(shù)已經(jīng)不夠。

單柜能不能裝進(jìn)更多計(jì)算板卡,電源轉(zhuǎn)換效率能不能提高,發(fā)熱能不能壓住,故障能不能快速定位和隔離,電源模塊能不能安全維護(hù),都會(huì)影響 AI 集群的建設(shè)成本和運(yùn)維成本。

800V 進(jìn)入討論,說(shuō)明 AI 數(shù)據(jù)中心的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)不只停在算力芯片上。電源模塊、功率器件、隔離驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、熱插拔、遙測(cè)、保護(hù)和散熱這些環(huán)節(jié),會(huì)決定 AI 基礎(chǔ)設(shè)施能不能承載更多 GPU、更高單柜耗電和更長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

FAQ

問(wèn):800V 為什么會(huì)進(jìn)入 AI 數(shù)據(jù)中心供電討論?

答:因?yàn)?AI 服務(wù)器單機(jī)功耗和單柜輸入功率增加,低電壓、大電流供電會(huì)帶來(lái)更高線(xiàn)損、更大熱壓力和更復(fù)雜的布線(xiàn)。提高機(jī)柜側(cè)供電電壓,可以在同等功率下降低電流,減輕線(xiàn)纜、銅排、連接器、電源模塊和散熱系統(tǒng)的壓力。

問(wèn):800V 會(huì)影響哪些供電環(huán)節(jié)?

答:它會(huì)影響機(jī)柜輸入、熱插拔保護(hù)、中間母線(xiàn)、DC/DC 轉(zhuǎn)換、板級(jí)供電、PoL 供電、電流檢測(cè)、遙測(cè)、隔離驅(qū)動(dòng)、故障保護(hù)和散熱。電壓提高后,低壓側(cè)一部分電流壓力會(huì)下降,高壓側(cè)的隔離、保護(hù)和故障處理要求會(huì)提高。

問(wèn):TI 在這篇文章里對(duì)應(yīng)哪些供電環(huán)節(jié)?

答:TI 對(duì)應(yīng)的是從 800V 輸入到 GPU 核心供電的電源設(shè)計(jì),包括高壓輸入保護(hù)、隔離母線(xiàn)轉(zhuǎn)換、板級(jí)多相降壓、遙測(cè)和保護(hù)。它希望市場(chǎng)在討論 AI 數(shù)據(jù)中心時(shí),不只想到 GPU 和算力,也能想到電怎么從機(jī)柜入口穩(wěn)定、高效地送到 GPU 和處理器附近。

問(wèn):onsemi、ADI 和 Allegro 分別對(duì)應(yīng)哪些環(huán)節(jié)?

答:onsemi 對(duì)應(yīng)高功率轉(zhuǎn)換和 SiC、GaN 等功率器件;ADI 對(duì)應(yīng)熱插拔、遙測(cè)、多相控制、電源監(jiān)測(cè)和保護(hù);Allegro 對(duì)應(yīng)高電流檢測(cè)和隔離柵極驅(qū)動(dòng)。

問(wèn):800V 會(huì)讓電源設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單嗎?

答:不會(huì)。800V 可以降低機(jī)柜側(cè)電流,減輕線(xiàn)纜、連接器和部分電源模塊的壓力,但高壓安全、隔離、保護(hù)、熱插拔、故障檢測(cè)和板級(jí)響應(yīng)要求都會(huì)提高。工程問(wèn)題沒(méi)有消失,只是壓力分布變了。

關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)解釋

800V DC:這里指 AI 數(shù)據(jù)中心供電中更高電壓等級(jí)的直流配電思路,用于在高功率場(chǎng)景下降低機(jī)柜側(cè)電流,減少線(xiàn)損和布線(xiàn)壓力。

中間母線(xiàn):位于高壓輸入和板級(jí)低壓供電之間的電壓層級(jí),負(fù)責(zé)把高壓轉(zhuǎn)換成服務(wù)器內(nèi)部更容易使用的中間電壓,并向后級(jí)電源模塊分配功率。

板級(jí)供電 / PDN:靠近服務(wù)器主板、加速卡和處理器的供電網(wǎng)絡(luò),需要處理大電流、快速負(fù)載變化、紋波、效率、發(fā)熱和可靠性。

PoL 供電:Point of Load,負(fù)載點(diǎn)供電,指在靠近 GPU、CPU、內(nèi)存或加速器的位置完成最后一級(jí)降壓。

熱插拔:整機(jī)在不斷電或不停機(jī)條件下接入或移除電源模塊時(shí),需要用電源管理和保護(hù)電路控制浪涌電流、異常電壓和安全風(fēng)險(xiǎn)。

遙測(cè):對(duì)電壓、電流、溫度、功耗和故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),幫助整機(jī)做功率管理、故障預(yù)警和運(yùn)維判斷。

隔離柵極驅(qū)動(dòng):用于驅(qū)動(dòng)功率器件,同時(shí)在高壓側(cè)和低壓控制側(cè)之間提供安全隔離,常見(jiàn)于高壓、高功率電源系統(tǒng)。

SiC / GaN:面向高壓、高效率和高功率密度場(chǎng)景的功率器件技術(shù)路線(xiàn),可用于降低轉(zhuǎn)換損耗、提高開(kāi)關(guān)頻率和減小電源體積。

本文首發(fā)于電子產(chǎn)品世界(EEPW)。后續(xù) EEPW 將繼續(xù)圍繞汽車(chē)電子底層能力、智駕芯片、智控平臺(tái)、800V 高壓系統(tǒng)、車(chē)載傳感和方案交付等方向持續(xù)更新。