ליישומים בתחום האינטליגנציה המלאכותית דרישות אספקה גבוהות ביותר

הטכנולוגיה המניעה מהירות גוברת והולכת גורמת לעומסים של מעבדים לפעול תוך כדי צריכת זרם גבוהה, בערכי מתח נמוכים ובקצבי סבב (slew rate) גבוהים. מורכבות גדולה של חיבורי I/O הופכת לקשה יותר את האספקה המתאימה של מתח לליבה עם הפסדים נמוכים ברשת אספקת המתח (PDN). גישות מקובלות מאבדות במהירות את היכולת לקיים את האספקה, והופכות להכרחי את השימוש בגישות חדשות, כדי לעמוד בקצב.

לדוגמה, השימוש במייצב מתח (VR) עבור מעבדים המבוססים על ארכיטקטורת ההספקים המבוזרת (FPA) של Vicor יכול להקטין את צווארי הבקבוק ברשת אספקת המתח וגם את ההפסדים. גישה זו מהווה נטישה של שיטות ריבוי הפאזות (מופעים) הנפוצה ונותנת מענה ייחודי לכל אחד מהאתגרים הקיימים בפיתוח של מייצבי מתח עבור טכנולוגיות חדשות של מעבדים. ארכיטקטורת FPA מאפשרת גם שימוש בטכנולוגיה של אספקת מתח אנכית (VPD) אשר מקטינה עוד את ההפסדים, עד 95%, ומבטלת גם את צווארי הבקבוק על ידי כך שהיא משחררת עד 100% מהשטח סביב המעבד.

הכפלת דרישות ההספק של מעבדי מחשוב בעלי ביצועים גבוהים

ההתפתחויות המהירות של אינטליגנציה מלאכותית (AI) והטכנולוגיות התומכות הגדילו את הדרישות ואת עומסי העבודה. כדי לעמוד בדרישות הביצועים, קטנו המתחים הנקובים של הליבות לערכים שבין 0.75 ל- 0.85 וולט. צריכת הזרם הנקובה גדלה לערך ממוצע שנע סביב 400 אמפר במצב היציב (800 אמפר ערך שיא). המגמה היא עלייה של פי שניים מהמצב שהיה קיים לפני ארבע שנים, והעלייה ממשיכה בקצב דומה.

הירידה במתח והעלייה בזרם מציגות שתי בעיות. ראשית, העלייה בזרם מגבירה את הפסדי הנחושת. למשטחים מנחושת ולחורי המעבר מנחושת המחברים את מייצב המתח אל המעבד יש התנגדות מאולצת. הגדלת זרם המעבד מגדילה את ההפסדים בריבוע הזרם. הקטנת נצילות ההספק מוסיפה חום למערכת ניהול החום במעגל המודפס של המעבד. שנית, מפל המתח על פני רשת PDN הוא יחסי ישר לעלייה בזרם. ככל שזרם הליבה קטן, להשפעה של מפל מתח זה יש השפעה חיצונית על ביצועי המעבד. לדוגמה, התוצאה של עומס ליבה של 400 ואט עם עקבת מעגל של 100 מיקרו אוהם גורמת לירידה של 4% בקו האספקה של 1 וולט, ולירידה גדולה פי שניים, כמעט, של 7% בקו אספקה של 0.75 וולט. המגבלות הפיסיות של רשת אספקת מתח מביאה להגבלת האפשרויות לגבי ההקטנה של התנגדות זו. הגדלת העובי של שכבות הנחושת במעגל האם תגרום להתנגדות נמוכה יותר, אבל כדי להגיע לאותה ירידת מתח של 4% באספקה של 0.75 וולט, יש להקטין את התנגדות המוליכים כמעט למחצית. הכפלת כמות הנחושת שצריך כדי לשאת זרם גבוה אינה אפשרית, בדרך כלל, עקב מגבלות של עלות ו/ או מגבלות פיסיות (איור 1).

איור 1

בקיצור, האתגר האמיתי נעוץ בהצבה של מייצב המתח קרוב יותר למעבד שלו הוא מספק מתח.

על אף שהאתגר יכול להישמע פשוט, המימוש שלו מורכב. העברה של מייצב מתח עם מיתוג כבד בריבוי מופעים למקום קרוב יותר אל המעבד, מקרב עמו את הרעש המובנה שמייצר מייצב המתח. הבעיה מורכבת עוד כתוצאה מממספר המופעים הנפרדים הנדרשים.

הבעיה השנייה היא הגודל. מארז של מעבד אופייני הוא בגודל 60 מ”מ x 60 מ”מ. מארז בגודל זה נראה אולי גדול, אך חשוב לשים לב שרוב השטח שלו מוקדש לניתוב חיבורי הכניסות והיציאות. כל החום מופק בליבה וכל הזרמים הגבוהים חייבים בסיכומו של דבר לעשות את דרכם לשם. (איור 2). המשמעות היא שאף אם מייצב המתח מוצב בסמיכות לשפת המארז, עדיין יהיה מרחק משמעותי שבו יהיה צורך להעביר את הזרם הגבוה כדי שיגיע לליבה. בגישת מייצב המתח האופיינית בזרמים גבוהים יותר נדרשים מופעים רבים יותר. מאחר שרוב מייצבי המתח הרב מופעיים הם התקנים בדידים, יש להציב את המשרן ודרגת המיתוג בנפרד וברוב המקרים גם לקרר כל אחד בנפרד. (איור 3). לכן, המשמעות של יותר מופעים היא מייצב מתח גדול יותר אשר מגדיל את האתגר של ההצבה במיקום סמוך למעבד.

איור 2

איור 3

ארכיטקטורת הספקים מבוזרת משחררת רמות חדשות של נצילות הספק

ארכיטקטורת הספקים מבוזרת (FPA) מבוססת על עקרונות הייסוד של פיצול ממיר מתח לשתי פונקציות עיקריות, ביצוע אופטימיזציה בכל אחת מהן בנפרד ולאחר מכן מימוש פונקציות אלו כמערכת. שתי הפונקציות האלו הן ייצוב מתח והכפלת זרם.

ייצוב מתח

הנצילות של מייצב היא יחסית באופן הפוך לעבודה המתבצעת – ככל שמתבצעת יותר עבודה כך הנצילות נמוכה יותר. ככל שמתחי הכניסה והיציאה של מייצב יהיו קרובים יותר זה לזה, כך תפחת העבודה המתבצעת והנצילות תהפוך להיות גבוהה יותר. על סמך מיקומה במערכת, ארכיטקטורת ההספקים המבוזרת מקטינה למינימום את ההפרש בין מתח הכניסה למתח היציאה. המייצב משתמש בטופולוגיה של ממיר מוריד – מעלה (buck-boost) במיתוג במתח אפס (ZVS), הממומש כמודול עם ייצוב קדם (PRM), שלו יש נצילות גבוהה כאשר קיים הפרש מתח קטן בין הכניסה ליציאה. (איור 4). ממיר מיתוג ZVS מקטין עד מאוד את הפסדי המיתוג, הוא מאפשר להשתמש בפעולה בתדירות גבוהה תוך שהוא מקטין מאוד את גודלו של הממיר. מודול PRM מייצב בדרך כלל מתח כניסה בין 40 ל- 60 וולט אל מתח יציאה של בין 30 ל- 50 וולט.

איור 4

המרה

אחרי מודול PRM מציבים דרגה נוספת אשר ממלאת פונקציה של הורדת מתח והעלאת זרם, והיא נקראת מכפל זרם. פעולות אלו מתבצעות באמצעות טופולוגיה של ממיר אמפליטודת (משרעת) אות סינוס בהתקן המכונה VTM. אפשר לממש את ההתנהגות של ממיר VTM כשנאי אידיאלי, כאשר היחס בין מתח הכניסה למתח היציאה קבוע, והאימפדאנס שלו נותר נמוך (כמה מאות מיקרו אוהם) מעל תדירות של 1 מגה הרץ.

מאחר שבממיר VTM אין אחסון של אנרגיה, הוא יכול להעביר הספקים גדולים של הספק, אם שומרים שהוא יהיה קר מספיק. כך אפשר להתאים את יכולת אספקת ההספק של ממיר VTM ליכולת החומנית של המעבד.

מודול PRM וממיר VTM יוצרים יחד את יחידות הבסיס של ארכיטקטורת FPA. (איור 5). הראשונה מוקדשת לייצוב ולאחריה דרגת המרה.

איור 5

מארז SM – Chip מקטין את הרעש ומשפר את התכונות החומניות

אמנם לטופולוגיה ולארכיטקטורה המשמשות במימוש של מייצבים בעלי ביצועים גבוהים יש חשיבות, אך למארז יש חשיבות שווה, אם לא רבה יותר. Vicor לקחה את הגישה הזו צעד אחד נוסף קדימה במארז SM – Chip מתוצרתה. המארז SM – Chip משלב הכל – רכיבים פסיביים, מגנטים, טרנזיסטורי FET ובקרה – בתוך התקן יחיד. מעבר לכך, המארז הזה תוכנן כך שהוא מאפשר את הקבלה היעילה ביותר של זרם עם אימפדאנס החום הנמוך ביותר, על מנת להקל על הצינון. רבים מבין מארזי SM – Chip כוללים גם סיכוך מתכתי מוארק על פני משטח משמעותי של ההתקן. המשטח מקל את הצינון וגם מאפשר לאתר את הזרמים הפרזיטיים בתדירות גבוהה, על מנת למנוע מהם להתפשט אל מחוץ להתקן.

העברת הספק רוחבית מפחיתה את הפסדי רשתות PDN ב- 50%

כדי לספק גמישות לתמיכה במגוון רחב של דרישות יישומים, חברת Vicor פרשה מודולי PRM וממירי VTM עם גרגריות (granularity) משמעותית אשר מאפשרת לתמוך בהפחתת הפסדים ברשתות PDN בסידורי תכנון חדשים. (איורים 6, 7). לדוגמה, מימוש של ממיר VTM יחיד לזרם גבוה על ידי שני ממירי VTM קטנים יותר ולזרם נמוך יותר, מאפשר את הצבתם בשני צדדים מנוגדים של תושבת המעבד. באופן כזה מוקטנים ההפסדים ברשת אספקת המתח ב- 50%, על ידי חלוקת הזרם לשניים והוספה של נתיב נפרד אל אזור הליבה. אפשר לממש הפחתה נוספת של ההפסדים דרך מימושים בשלושה צדדים או אף בארבעה צדדים.

בעובי של 2.8 מ”מ, ממיר VTM דק יותר מרבים מבין החלקים המכניים המשמשים לתמיכה במעבד כגון תושבות מארז, התקני הקשחה ויחידה להצמדת גוף קירור. הצבת ממיר VTM מתחת להתקנים אלו מצמידה אותו אל מערכת ניהול החום של המעבד ומבטלת את הצורך בגוף קירור ייעודי עבור ממיר VTM תוך כדי הקטנת ההפסדים ברשת אספקת המתח על ידי הצבת מכפל הזרם קרוב יותר לליבה. איור 9.

אלו הן דוגמאות לאספקת מתח רוחבית (LPD). באספקת LPD, מכפל הזרם מוצב באותו צד של לוח האם שבו מוצב המעבד, והזרם זורם באופן רוחבי ממייצב המתח אל המעבד. מצב זה יוצר הפסדים מובנים ללא קשר לקרבה של מכפל הזרם אל ליבת המעבד.

הפתרון להפסדים מובנים אלו הוא אספקת מתח אנכית (VPD), כאשר מכפל הזרם ממוקם בצד הנגדי למעבד, ישירות תחתיו (איור 10). באופן כזה מתבטלים הפסדי רשת PDN בזכות קיצור המרחק. לאספקת מתח אנכית נדרשות שתי תכונות עיקריות כדי להשיג פונקציה זו.

ראשית, שהאזור הנמצא ישירות מתחת למעבד יכיל קבלים לתדירות גבוהה אשר נחוצים כדי לבטל את הצימוד של הזרמים בעלי התדירות הגבוהה מאוד (יותר מ- 10 מגה הרץ) אל יתר המערכת. שנית, לקבלת הנצילות הגבוהה ביותר, המיקום הפיסי והתבנית של פתרון אספקת VPD הקיים חייב להיות תמונת מראה של המיקום והתבנית של כניסות אספקת המתח אל ליבת המעבד. כך יתאפשר לזרמי האספקה הגבוהים ליצור תבנית “אנכית” באמת.

כדי לממש את התכונות האלו, פתרון אספקת המתח האנכית של Vicor מורכב ממכפילי זרם של ממיר VTM הממומשים עם תיבת המרה כדי להשלים מודול שנאי המרה (geared transformer module – GTM). במודול תיבת ההמרה מתבצעות שתי פעולות: שילוב של קיבול ביטול צימוד בתדירות גבוהה והפצה של הזרם מממיר VTM אל תוך תבנית שמהווה תמונת מראה של המעבד שמעליה. (איור 11). המערך של ממיר VTM במודול שנאי ההמרה נקלט בהתבסס על דרישות זרם המוצא של המעבד ותבנית מערך BGA של מודול שנאי ההמרה מבוססת על המעבד. באופן כזה, מודול GTM מייצג את השילוב של הפתרון הסטנדרטי (ממיר VTM) עם הפתרון של הלקוח (מודול שנאי ההמרה).

דרך טובה יותר לספק זרם למחשוב בביצועים גבוהים

המימוש של פתרונות אספקת LPD ואספקת VPD בארכיטקטורת הספקים מבוזרת באמצעות הצבה במארז SM – CHIP מאפשרת הפחתה גורפת בהפסדים של רשת אספקת הזרם אל מעבדי מתח נמוך וזרם גבוה. עם העלייה הנמשכת בדרישות הזרם של מעבדים המגיעה עד 1000 אמפר ויותר, אספקת הזרם תוכל לעמוד במתחי ליבה נמוכים ובזרמי ליבה גבוהים, תוך כדי כך שהיא מאפשרת קיום הפסדים נמוכים יותר ברשת אספקת הזרם ונצילות גבוהה יותר של המערכת.
(איור 12)