研究热点 | 面向AI供电的多芯多相DC-DC功率转换器

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随着人工智能的全面爆发，信息产业对算力的需求呈指数级增长。同时，随着集成电路工艺尺寸的不断缩小以及3D堆叠集成芯片系统的发展，处理器功耗和电流密度也呈显著增长趋势。单颗处理器的功耗已超过1000瓦，工作电压小于0.8 V，消耗电流远超1000安，三维垂直供电系统与电源分配网络已成为高性能计算XPU系统的核心瓶颈之一。高效的三维垂直供电（VPD）可为单颗处理器节能100瓦以上，同时减小对散热系统的需求，在配备10万个处理器的数据中心可实现兆瓦级的能源节省。

清华大学路延教授团队在本文中针对面向AI供电的多芯多相DC-DC功率转换器的系统架构、版图布局和环路控制方法等方面进行了前沿技术总结和前瞻性探讨。从48 V到0.8 V负载点的DC-DC功率转换涉及两级或多级的级联架构，各级功率转换器架构类型的选取和中间总线电压的设定是电源领域的一门艺术。同时，大电流输出需要多芯多相DC-DC的并联拓展；集总式的主从环路控制在大规模集成的时候面临着复杂的布线问题；分布式的环形或网格型架构面临着均流均压、切相和跳相的技术难题。展望未来，AI和高性能计算的电力能耗增长或趋于饱和；微观上，处理器对三维垂直供电、超大电流密度、高功率转换效率的需求并未改变。减碳之路，任重道远。

图1. 多芯多相DC-DC功率转换器的环路控制：（a）集总式的主从控制；（b）分布式环形架构；（c）分布式网格架构。

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国内有几家公司能做多相电源控制器？

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DC-DC功率转换器

wlk1986

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