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2-3年48V供電將迎來爆發期，48V/12V電源將如何共生共存？

2021-08-04 11:26:12 EETOP原創

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在最近與Vicor的高層進行的媒體采訪中，Vicor中國銷售總監、數據中心及超級計算負責人陳新軍介紹說：“隨著人工智能技術的需求越來越大，電源配電向48V演進已經是一個非常明確的轉變趨勢。這個速度正在加速，相信明后年會有一個飛速的發展。”吳際也表示：“48V最近兩年發展的速度比前面20年都還要快，已經呈現指數的數量級增長。現在包括英特爾、Facbook、特斯拉等都在往48V看齊。未來2-3年，48V應該會有很大的發展。”

從右往左：Vicor中國銷售總監數據中心及超級計算負責人陳新軍，Vicor高級現場應用工程師楊周，Vicor高級現場應用工程師吳際

確實，電源配電向48V演進已經是一個非常明確的轉變趨勢。從行業標準的推進來看，雖然OCP聯盟仍一如既往的發展其12V機架設計，不過為了解決高功率機架的諸多難題，近年來，已經在向可容納48V PDN 的機架發展。2019年全面升級的中國天蝎計劃3.0，為了承接未來AI算力的挑戰，也定義了48V PSU+BBU集中供電的供電子系統。除此之外，汽車領域也已經有48V的標準，包括電動汽車、純電汽車，以及插電混動汽車。

20世紀90年代，汽車行業就曾考慮用42V總線配電取代12V系統，但因為復雜性和成本過高，一直進展緩慢。今天，在全球環保壓力下，對48V總線配電的需求越來越明顯。Navigant的預測顯示，就2025年全球新車銷量而言，48V輕混動力車可能占據14%的市場份額。此外，數據中心領域也非常明確，未來數據中心的供電方案上，為了節能降耗，包括軌道交通、ATE，整個背板電壓會提升至48V。可以預見，未來幾年，在云計算、高性能計算，以及廣泛的的工業領域、機器人、無人機、LED等應用范圍內的AI領域里面都會有48V的應用。

最后一英寸的供電

靠電電壓的指數級增長

如圖所示，從2000年-2020年、2021年，CPU、GPU和AI 芯片靠電呈快速上升趨勢。究其原因，主要是大家都在追求算力的提升，只有算力的提升，CPU性能才能更先進。算力的提升伴隨著電流迅速的增長，對應的靠電電壓就是緩慢下降的過程。2020年和2021年之間出現一個交接點，電流大概在1200A，靠電電壓大概是在0.7、0.8。這個趨勢不可逆。因為摩爾定律，集成在CPU上的晶體管一直在快速的上升，甚至是指數級增長。

晶體管是一個有三個端口的管子，即源端、柵端、漏端。電子從源端跑到漏端，借此完成信息的傳遞，決定傳遞節奏快慢的是柵端。它的開關由端口對應的電壓變化來決定。由于大部分電子的速度都是全速運轉的，芯片一定意義上的效率取決于管道的長短。當芯片越做越小時，晶體管密度越大，對應單位面積的晶體管數量增多，對應的電流增長，晶體管承受的電壓率就會越低。這種低電壓大電流的需求仍會持續存在，而且會越來越具有挑戰性。

PCB空間受限帶來的電源設計挑戰

伴隨低電壓大電流的挑戰，PCB空間局限性的問題越來越明顯。隨著性能的發展，大家都會要求PCB板子不變，或者PCB的板子縮小的情況下，要求性能提升幾倍。楊周具體以OEM卡為例，介紹包括AI 芯片、CPU、GPU等器件的設計，從而可見留給電源設計的空間以及其它器件的空間非常小。未來對PCB空間的限制將是電源設計的一個巨大挑戰。

Vicor解決方案：分比式電源架構和合封電源技術

為滿足人工智能、機器學習、大數據挖掘等高性能應用日益增長的需求，處理器工作電流現在已經提高到數百安培。將大電流供電單元部署在處理器附近的負載電源架構，可減少主板上的配電損耗，但不能減少處理器與主板之間的互連挑戰。隨著處理器電流的增大，與處理器的剩余這一小段距離“最后一英寸”（包含主板導體以及處理器插槽內的互連）現已成了處理器性能和總體系統效率的限制因素。

為解決低電壓大電流，以及PCB空間受限的問題，就需要盡可能把Last inch去掉。針對這些問題，Vicor提供了多種解決方案，包括分比式電源架構（FPA）、合封電源橫向供電（LPD）以及合封電源垂直供電（VPD）等技術。

分比式電源架構將功率轉換分解為單獨的穩壓和變壓功能，這些功能可以單獨優化，最大限度提高性能。穩壓模塊可部署在主板上的任何位置，而重要電流輸出模塊電流倍增器則可針對密度、效率和低噪聲進行優化，并可部署在非常接近處理器的位置。電流倍增器不僅能夠提供超過1000Amp的大電流，而且還可讓PDN電阻銳降50倍。可根據處理器電流，Vicor可提供橫向和縱向兩種分比式電源選擇。

Vicor合封電源技術克服了為高功率處理器進行大電流傳輸造成的障礙。通過“最后一英寸”供電，不僅提高了性能、簡化了主板設計，更重要的意義是可幫助處理器實現前所未有的性能，從而兌現人工智能等高性能應用的一貫承諾。其中橫向供電（LPD），大電流傳輸通過模塊化電流倍增器模塊（MCM）實現，這些模塊布置在主板或處理器基板上，不僅可最大限度降低PDN損耗，而且還可以減少電源所需的處理器基板BGA引腳，LPD旨在支持OCP加速器模塊（OAM）卡及定制AI加速器卡的供電需求和獨特封裝。合封電源垂直供電（VPD）主要是針對未來更高功率密度的需求的電源解決方案。

楊周特別介紹了Vicor的合封電源垂直供電技術。據介紹，最上面的是DCM模塊，它將分比式架構的兩部分都集成在一起。這個模塊只提供48V，旨在解決最極端的CPU集群的電源問題。中間級是GCM模塊。這個模塊相當于把分布式架構前面這一級拿出來放到其他地方去，只剩第二級功率轉換部分幾個模塊集成在一起從而可節省空間。最下面的是VTM模塊。這是一個標準系統，是新一代2.8毫米的VTM模塊。VTM是一個系列產品，目前Vicor已經推出幾款，從2208、2408、2708一直到4708。它們的寬度是一致的，都是8毫米，高度都是2.8毫米。不同的是長度，每個模塊大概相差2毫米，相應的電流從250A、300A、350A，一直到750A，沒相差50A一個等級。具體應用時，可根據靠電的電流需求來選擇模塊。VTM模塊還有一個很獨特的設計，所有產品，從最小到最大，它們的P角都是兼容的，這樣就非常便于模塊的更換。且模塊的擺放也非常靈活，既經濟又實用。楊周介紹說，VTM模塊未來它將是受眾最多，使用最靈活的一個模塊。

機架服務器功率的需求變化

近年來，整個機架服務器之間的功率是明顯變化的。如圖所示，2000年-2010年基本上沒有什么變化，大概10千瓦左右；2010年開始機架功率往上漲，尤其2015年以后功率迅速往上漲。2015年前后，也正是CPU、GPU、AI 芯片對算力、功率等需求迅速增長的時間點。2020年機駕功率高達200千瓦，按照以前的功率密度計算，可能需要數十倍的空間，這對供電系統是非常大的挑戰。

傳統的電源方案是CRPS電源，是技術盒子。雖然它的功率密度也在提升，但Vicor認為這種功率的提升速度有點兒慢，他們希望用一些更高功率密度的模塊去重新擺放這個機架上的電源方案。針對機駕服務器功率提升的電源解決方案，Vicor可提供兩種方案，第一種是支持400V/800V轉48V的高壓直流電源模塊BCM6135和可實現5kW功率輸出、并支持并聯的交流直流電源模塊PFM9280。

楊周介紹說，BCM6135模塊其實是Vicor分比式電源架構的典型應用，是固定比例轉化模塊。PFM9280模塊尺寸較小（92mm*80mm*7.5mm），可以靈活布局，包括機架側面、背面甚至液冷電源盒中。楊周特別強調說：“交流目前傳統采用的還是單向方案，即220V轉12V轉48V。但Vicor認為，高密度情況下，不應該再用單向的220V，而應該是三向的交流電直接輸送。Vicor就是把模塊的功率密度提升，能夠給整個計算系統留更多的空間做其它的算力，讓更小的空間提高更高的功率。”

Vicor在功率密度和電流密度方面有非常強的競爭優勢。在功率密度，從2012年-2019年，每立方英寸的瓦特數從0.8-10千瓦變化顯著，超過10倍的增長。負載點的電流密度自2012年以來同樣有明顯增長，從每平方毫米0.8安培增長到2A。從AC端到POL，Vicor在48V是有一套整體的解決方案，并且在48V系統架構上也有創新，如分比式架構，以及ZCS、ZVS、SSIC等技術，可以保證Vicor能夠提供最優效率的解決方案。具體在數字上的表現，如果整個系統轉換到48V，預期能有30%效率的提升。特別是對于傳輸損耗，以及最后一英寸，效率提升明顯。傳統的12V，12V到48V電流增加了4倍，損耗會按平方減少16分之一傳輸損耗；還有AD-DC，傳統的是AC到12，Vicor直接轉到48V，效率整體有30%的提升。正是由于Vicor電源產品負載點電流密度性能好，所以英偉達、谷歌等頭部公司都比較早的就采用了48V的方案。

Vicor前瞻趨勢：48V/12V靈活雙向轉換

目前AI 芯片中的OAM卡、NVIDA加速卡，包括整體AI邊緣計算的服務器，都已經升級到48V。不過雖然48V是大趨勢，但傳統數據中心的服務器上，90%還用的是12V。楊周也表示，從48V降壓到12V，12V升壓到48V，這個市場將長期存在。因此，現在48V和12V還要混搭一起用。Vicor正是看到這樣的市場機會，推出了雙向48V/12V轉換器NBM2317。該產品最大的特點就是在不依賴外圍線路的前提下，實現了高功率密度的48V/12V的自動轉換，效率可做到97.9%、98%，并且可以對現在市場上其他電源模塊有70%的功率密度的提升。隨著基礎架構的發展，既可支持其中一項標準，也可兩項都支持。

這是英特爾的OAM加速卡，它這個上面就用到了NBM2317，48V轉12V，750瓦，我們很快會出來1000瓦的產品。這樣的一個模塊如果放這兒，如果12V能解決，其他的12V傳統方案去解決就好了。

Vicor早在2007年就開始推48V。默默耕耘十幾年。Vicor有兩大市場方向，一是數據中心，二是汽車。在數據中心，Vicor電源產品主要有三大類：

第一大類是Removing the last inch，48V的靠電，就是給智能機器人CPU、GPU核心供電。
第二大類是48V和12V的橋接。Vicor提供專門用于橋接的模塊。
第三大類是高壓電直流電模塊和AC/DC直流電模塊。

自動駕駛是汽車的未來趨勢。自動駕駛要的功率高，且功耗可能高達幾千瓦。單憑12V總基線是應付不了的。所以Vicor認為，汽車未來的方向也是48V。陳新軍介紹說，Vicor在主推以48V準線為核心的電源方案，并且從架構上已經有一套方案來推動，創新點便是小而美，極致的輕，效率極致的高。

Vicor成立于1981年，今年是公司成立的第40周年立。公司總部在美國馬薩諸塞州安多弗的一個小鎮上，在那邊有兩個全自動化的工廠。孟介紹說，Vicor工廠的產能一直在擴，因為市場需求不斷增加，2018年產能擴到之前的6倍。現在Vicor又在擴建一個新的工廠，增加8500英尺的面積。

據介紹，Vicor非常注重創新，研發費用占到每年營收的16%左右。同時擁有170多個專利，在配電網絡、控制系統、組件、封裝方面都是有很多的創新。Vicor的競爭優勢根基正是來源于其電源系統創新的四大支柱：

創新的架構。分比式合封電源架構，改變GPU及AI 處理器供電的方法。
先進的電源拓。零電流開關、零電壓開關，電壓轉換拓撲。
控制系統。
獨特的封裝系。

陳新軍表示，Vicor還在持續創新。在高壓直流方向，把模塊效率做得更高、體積做的更小、功用更適合業務，未來進一步提升PUE；在新材料方面，Vicor也有很多創新，且未來材料方面的創新將是Vicor模塊的主力；在架構上，除了封裝技術、材料技術之外，核心技術都是Vicor自己在做，目前芯片的控制器，已經迭代更新到第四代，很明顯是比之前更薄，未來還將繼續創新。
楊周補充說到：“未來在垂直供電解決方案我們還有很多創新的設計，大家可以看到Vicor在這個領域越做越極致。”

— 結束語 —

近年來，市場上的電源需求非常大，原有的12V配電架構已經不能滿足終端產品對電力的需求。為解決配電電壓的問題，就要將12V配電電壓向提升到48V配電電壓。但提高配電電壓并不是那么簡單就能解決的。經過多年研發創新和實踐驗證，Vicor通過高性能、高密度的模塊化電源解決方案能夠很好的解決配電電壓提升的難題。

Vicor一直是產業生態化建設的有益推動者。從技術方式、架構和體系，Vicor一直在積極的為生態貢獻著自己的技術。Vicor開源的創新都是開放的，比如說48V到AI 芯片是兩級的解決方案，都是開放的的，不過里面的芯片技術不開放。與此同時，Vicor積極和合作伙伴交流，會適配做一些標準化的產品。陳新軍特別強調說，在生態化發展，Vicor做的最有價值的就是把電源簡單化，、模塊化、標準化，讓AI 芯片設計工程師更把更多的精力放在芯片本身的設計和創新上。