AI加速器對電力需求日益增加。Nvidia H100的熱設(shè)計功率（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支持更高的計算密度。這將需要機(jī)架級別的功率超過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，即被浪費的功率。由于電力成本是數(shù)據(jù)中心最大的費用之一，減少功率損耗對于提高總擁有成本（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)架級別到芯片級別被重新設(shè)計，以解決AI訓(xùn)練和推理等高功率計算負(fù)載中的這個問題。

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主題的技術(shù)和競爭格局。功率傳遞公司Vicor在這一趨勢下受益最多。在過去的十年里，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)計勝利。

然而，由于電力市場的動態(tài)性質(zhì)，Vicor的命運近期迅速發(fā)生了變化。一年多前，我們獨家發(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，包括多個新競爭對手（MPS、Delta、Renesas、ADI）。

這個故事一直變化不定，Vicor的未來角色變成了一個戰(zhàn)場。最近的新聞，Vicor對競爭對手的訴訟，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，Vicor的技術(shù)領(lǐng)先地位，我們對Vicor的因式分解電源架構(gòu)和垂直電源傳遞技術(shù)的評估，重要的設(shè)計勝利，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，以及對他們的長期影響。我們還將分享我們對他們的4個主要競爭對手（MPS、Delta、Renesas和ADI）的看法，以及目前正在爆發(fā)的法律戰(zhàn)爭。

芯片的電源傳輸簡介

電力在交流（AC）網(wǎng)格中以高達(dá)數(shù)十萬的電壓產(chǎn)生和傳輸。計算和存儲芯片需要穩(wěn)定且干凈的低電壓直流（DC）電源。過多的電壓會使芯片的精密電路超負(fù)荷和損壞。電壓過低，芯片的電路將無法正確切換。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，有四個主要的值：功率、電流、電壓和電阻。功率（P）是每單位時間使用的能量的測量，通常用瓦特（W）表示。電流是電子流動的量的測量，或者換句話說，電子的流動速率。電流（I或A）通常用安培（A）表示。電壓（V）是兩點之間的電勢差。你可以把電壓想象成推動電子通過回路的壓力。

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的難度。為了使用這些值，我們需要歐姆定律，我們將重點討論歐姆定律的兩種不同形式。第一種形式是P = I * V，簡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。

硅運行在約1V直流或更低的低電壓下。為追求功率效率，設(shè)計正在轉(zhuǎn)向較低的時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行。

然而，在低電壓和高電流下輸送電力會產(chǎn)生較大的功率損耗（I^2R）來自電力線的電阻。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傳輸電力，然后盡可能靠近活動硅降低電壓。

什么構(gòu)成了電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）？

VRM是一個重要的部件組合，它將系統(tǒng)電源單元（PSU）的輸入電壓轉(zhuǎn)換為正確的電壓來供電SoC。通常情況下，我們會在包含芯片的PCB上看到VRM，雖然在一些罕見的情況下，這些組件可能位于芯片本身上，甚至集成在硅上?，F(xiàn)代VRM由三個主要部分組成：電容器、電感和功率級。電容器儲存電能，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，而且可以說是VRM中最重要的部分是功率級，它將來自電源單元（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，讓我們來看一個功率為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伏特時的20安培增加到1.2伏特時的200安培（增加10倍）以保持相同的功率水平。

相比之下，一個功率為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伏特時的60安培增加到0.8伏特時的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)級增加，達(dá)到225倍。這說明效率損耗在最近幾代數(shù)據(jù)中心芯片中已成為一個重大問題。隨著電壓繼續(xù)隨著工藝縮小和封裝變得更大，對高級封裝需求更高，這個問題只會變得更嚴(yán)重。

48V的興起

為了解決這個問題，人們開始使用更高的輸入電壓。很長一段時間以來，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。這些效率損失超過了相對廉價且普遍存在的12伏特元件所帶來的好處。

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)線長度更短。較長的導(dǎo)線長度會導(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，其結(jié)果是總體電阻損耗更低。

谷歌是第一個在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是為計算用例提供48伏特VRM的主要供應(yīng)商。

為了實現(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，還需要一個中間組件將48伏特降壓為12伏特?；旧?，要么需要48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)入市場的公司。

在2018年，Vicor首次在主流商用硅芯片上取得了勝利，其設(shè)計贏得了Nvidia的V100 SXM3刷新項目。該項目采用了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)奈磥碇贰?/p>

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首先報道了這一消息。此獨家報道導(dǎo)致Vicor的股價在發(fā)布后的第二天下跌超過20%，在接下來的一年里又下跌了30%，這主要是因為Nvidia對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項目，該項目正在大規(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)平臺的同時，還對競爭對手提起訴訟，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重新進(jìn)入客戶基礎(chǔ)平臺，但至今訂單仍未到來。

審核編輯：劉清