Zwischenbusspannung für KI-Prozessoren

Der Zwischenbusansatz

Die endgültige Kernspannung des Chips, die nun etwa 400 mV bis 900 mV beträgt und aus der eingehenden Wechselstromversorgung des Serverparks erzeugt wird, erfolgt stufenweise. Zunächst wird sie häufig auf 54 V umgewandelt._Gleichstrom, Diese Methode ist praktisch für die Stromverteilung im Serverrack. Sie erhöht die elektrische Sicherheit und hält die Ströme relativ niedrig, was eine sinnvolle Kabeldimensionierung ermöglicht. DC/DC-Wandler an den Prozessoren können die Spannung dann direkt auf unter 1 V reduzieren. Dieses hohe Übersetzungsverhältnis führt jedoch zu erheblichen Verlusten und benötigt mehr Platz, wodurch es bei höheren Leistungspegeln weniger praktikabel ist. Um dies zu beheben, wird typischerweise ein Zwischenbus verwendet, gefolgt von einem mehrphasigen Spannungsreglermodul (VRM) in der Nähe des Prozessors, um statische und dynamische Spannungsabfälle unter hohen Lastströmen zu minimieren. Ein aktueller Trend in der Leistungselektronik platziert diese letzte Wandlungsstufe sogar direkt unter dem Prozessor, um eine ‘vertikale Stromversorgung’ zu realisieren.

Nun muss entschieden werden, welche Zwischenkreisspannung verwendet werden soll. Die Bestimmung des optimalen Werts ist jedoch nicht ganz einfach, da mehrere Faktoren zu berücksichtigen sind. Der DC/DC-Zwischenkreiswandler (IBC), der die Zwischenkreisspannung erzeugt, ist üblicherweise ein ungeregelter Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis, um einen höheren Wirkungsgrad und eine einfachere Handhabung zu gewährleisten. Die gängigsten Übersetzungsverhältnisse sind 4:1 und 8:1, die Nennspannungen von 13,5 V DC bzw. 6,75 V DC erzeugen. Doch wie entscheidet man sich für das richtige Übersetzungsverhältnis?

4:1 oder 8:1?

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Busspannungen liegt in der Ausgangsstromstärke: etwa 150 A bei 6,75 V._Gleichstrom im Vergleich zu 75 A bei 13,5 V pro kW Last. Das bedeutet 1^st Stufe 4:1 IBC kann weiter von der 2 entfernt platziert werden.^und Der VRM-Wandler mit einer einzigen Stufe ermöglicht einen verlustarmen Übergang ohne nennenswerte Verteilungsverluste und schafft so Platz für Prozessor-GPIOs, PCIe-Schnittstellen und Speicherrouting. Andererseits müssen signifikante Verteilungsverluste aufgrund des 8:1-Verhältnisses vermieden werden.^st Phase IBC: Sie müssen in der Nähe von 2 platziert werden.^und Stage VRM, das in das Prozessor-Routing eingreifen kann.

Eine Eingangsspannung von 13,5 V an den 2^und Die Stufenspannung VRM ist oft ein optimierter Wert und führt zu relativ geringeren Leitungsverlusten im oberen Schalterbereich, da der Tastgrad niedriger ist als bei einer Eingangsspannung von 6,75 V. Allerdings weist die Stufenspannung VRM auch relativ höhere Schaltverluste auf. Diese sind proportional zur Eingangsspannung, zur Schaltflankendauer, zur Leistung und zur Frequenz, sodass sich der Gesamtwirkungsgrad des PoL bei einem Vergleich von 13,5 V und 6,75 V Eingangsspannung kaum ändert.

Ein möglicherweise gravierenderes Problem ist, dass ein 4:1-IBC mit 13,5 V im Vergleich zu einem 8:1-IBC für denselben Restwelligkeitsstrom und dieselbe Abschaltzeit die doppelte Ausgangsinduktivität benötigt (siehe Abbildung 1 unten). In der Praxis bedeutet dies, dass die Induktivität – die in vielen Designs ohnehin oft das höchste Bauteil ist – bei kompakter Bauform des IBCs noch höher wird, wodurch sich die Gesamthöhe potenziell von 5 mm auf 10 mm erhöht. Dies kann in der Nähe des Prozessors problematisch sein, da dort leistungsstarke Flüssigkeitskühlplatten über benachbarte Komponenten hinausragen und daher flach sein müssen. Ein 10 mm hoher IBC passt möglicherweise nicht auf die Rückseite des PCs, was die Platzierungsmöglichkeiten einschränkt.

Abbildung 1: In der Ausgangsstufe eines IBC mit Verhältnisschaltung ist die Induktivitätsgröße für einen gegebenen Restwelligkeitsstrom und eine gegebene Abschaltzeit proportional zur Ausgangsspannung.

Weitere Überlegungen

Selbstverständlich sind auch andere Wandlungsverhältnisse wie 5:1 und 6:1 verfügbar und können zur Feinabstimmung der Leistung genutzt werden. Die gängigeren Standardverhältnisse von 4:1 und 8:1 bieten jedoch in der Regel die beste Kompatibilität und eine größere Auswahl an DC/DC-Wandlern.

Leistungswandlungsarchitekturen werden typischerweise hinsichtlich ihrer Gesamteffizienz bewertet, was bei der Auswahl eines IBC sicherlich ein wichtiger Faktor ist. Die tatsächliche Verlustleistung im IBC und VRM ist jedoch im Vergleich zur Last, die typischerweise 25-mal größer und in unmittelbarer Nähe angeordnet ist, verschwindend gering. Beispielsweise kann ein Prozessor mit einer Verlustleistung von 1 kW dazu führen, dass der IBC lediglich 20 W verliert. Zur Veranschaulichung sei der Flex BMR315 5:1 IBC und BMR320 8:1 IBCs weisen bei einer Ausgangsleistung von 400 W lediglich einen Wirkungsgradunterschied von 0,3% auf, was einem Unterschied von nur 1,7 W entspricht und daher kaum ins Gewicht fällt. Aufgrund der geringen Verlustleistung der IBCs ist die Kühlung in der Regel mit einem Standard-Systemluftstrom problemlos möglich und erfordert keine Integration in komplexe Flüssigkeitskühlungssysteme, wie sie für die neueste CPU-Generation notwendig sind.

Abschluss

Bei der Auswahl des optimalen IBC-Spannungswandlungsverhältnisses sollten Systementwickler neben der Gesamteffizienz auch andere Faktoren berücksichtigen. Die physische Größe, insbesondere die Höhe, kann angesichts des begrenzten Platzes auf modernen Hochleistungs-KI-Serverplatinen ein entscheidender Faktor sein.