48V系统收硕果，Vicor引领数据中心供电新趋势

“如今电力需求和基础设施之间产生了一些错位。数据中心、电动汽车等算力在过去几年有了显著成长，随之带来的是对电力消耗的极大需求，但电力传输总线还都停留在过去数年所创建的12V标准上，向48V系统升级将成为解决终端需求的重要解决方案。”日前，Vicor市场经理孟令冲日前在参加OCP大会时对媒体表示，此次OCP大会上，Vicor作为唯一的一家板级电源模块/芯片供应商，探讨了数据中心48V直流供电系统。

电源密度和效率还会持续增长吗？

随着MOSFET技术的出现和发展，电源转换效率在过去三十年中得到了极大提高。80PLUS的标准自2007年生效之时，从黄金升级到铂金以及如今的钛金，最高的半载效率要求已经达到了96%。

电源的效率和密度是严格正相关的，效率越高，散热就越少，因此可以实现更小的体积，更小的电源损耗以及更便宜简单的散热系统，推动绿色节能的信息产业发展。

根据Vicor给出的产品路线图，2012年-2019年间，功率密度从0.8千瓦/立方英寸提高到10千瓦/立方英寸，负载点电流密度从0.8A增长到2A。而如果从更长远的时间点来看，1984年至2021年间，电源密度提升则高达500倍之多。

但是，由于MOSFET的性能已接近极限，为了满足功率、效率和密度持续增长的需求，电源厂商开始尝试各种各样的创新。包括采用GaN、SiC等宽禁带器件，更新的拓扑结等等，但Vicor迄今为止始终坚持传统的硅，公司销售和市场副总裁Phil Davies曾经在接受采访时表示：“我经常被问到公司何时会采用GaN技术，但我们并不需要他们。因为低压MOSFET成本更低，品质因数更高，并且我们已经利用独有的拓扑结构实现了800V输入。因此我们迄今为止并不需要使用昂贵的，未经广泛验证的GaN。”

Vicor一方面在不断继续精益求精进行产品升级，另外则是围绕48V系统提供系统级创新，从而更全面地满足如今高级系统的升级。

无论如何，正如摩尔定律尽管困难，但依然稳步前行一样，电源技术依然在不断利用着各种方法进步，从而满足摩尔定律的发展。

针对大数据中心，Vicor的48V解决方案

大数据中心所消耗的电力几乎都是由交流电转换而来。数据中心一般都有着一整套复杂的电流传输路径，从交流到直流，然后再进一步进行转换，给存储器、外设、处理器等部件供电。

随着视频、图片等数据量的激增，目前数据中心已不能单纯依托单纯的CPU，而是演变成包括GPU、FPGA、AI处理器等异构处理。与此同时，采用先进制程的处理器功耗越来越高，核心电压越来越低，电流越来越高，根据P=I²R的公式，电源总线上的损耗会越来越大。这也是包括OCP成员Google、Facebook等公司在内的企业，都将内部电源总线升级为48V的重要原因。

Vicor给出的计算结果显示，如果整个系统转换到48V，效率将会提高30%。

未来处理器核心电压将不断降低，电流则会迅速提升

Vicor针对目前市场的特点，推出了包括AC/DC、12V/48V桥接以及负载点三大部分的解决方案，公司工程师杨周分别给予了具体解读。

解决最后一英寸的供电

首先针对负载点，Vicor提供了多种应对方案，包括分比式电源架构、合封电源横向供电 (LPD)以及合封电源垂直供电 (VPD)等技术。

分比式电源架构将电源分解为专门的稳压及变压功能。这两个功能可以单独优化、部署，提供一个高密度、高效率的解决方案。该解决方案不同于传统 12V 多相位方案，主要依靠开关稳压器和电感器的并联阵列，这种传统方案针对大功率应用，并联的稳压器越多，整体尺寸越大，而且处理器大电流传输的距离也就越远。所有这些都会使系统出现更多的损耗。

“将两部分分开之后，第二级不需要设计复杂的稳压功能，就可以实现更小更薄的固定比例转换器，更适合CPU周围紧凑的空间要求。”杨周说道。

合封电源横向供电则是指分比式的第二级电源模块，可以直接布置在贴近处理器的位置甚至直接布置在处理器基板上，不仅可以最大限度降低线束损耗，同时还可以减少电源所需的处理器基板BGA引脚。杨周表示：“传统上转换器供电需要电感，而电感由于电磁干扰问题，不能距离CPU太近，这就使得最后一英寸依然有较大损耗，尤其是未来电流超过1000A的时候。LPD方案则可以解决最后一英寸的供电问题。”目前LPD 已广泛应用在包括 OCP 加速器模块 (OAM) 卡及定制 AI 加速器卡中，根据Davies提供的数据，“目前在48V AI系统应用中，Vicor占据了85%的市场份额。”

根据公开资料显示，包括NVIDIA、英特尔、寒武纪、天数智芯、谷歌等国内外公司均采用了Vicor的方案。（下图中黄色长条产品为Vicor的电源模块）

天数智芯的PCIe加速卡


寒武纪OAM加速卡


NVIDIA加速卡方案，其中包括CPU核心供电模块、HBM供电模块以及周边供电模块

VPD方案则是更贴近CPU的供电方案。比如Cerebras公司，该公司采用晶圆级引擎 (WSE)，将84 个处理单元组成一整颗处理器，可显著降低与传统插槽式单信号芯片架构相关的传输延时。但一来WSE的功率高达15kW，二来该芯片面积太大，传统的供电方案无法针对每个单元同时供电。因此，Cerebras与Vicor合作实施了VPD方案，将电源转换器放置在基板下方，正对处理器电源IO的位置，实现了最高密度的电源系统。

LPD与VPD的示意图

杨周特别强调，Vicor提供了诸多产品组合，包括集成一二级的分比式电源模块，以及分立式方案，并且实现了二级模块的Pin 2 Pin兼容，可方便客户根据处理器的实际耗电随时调整模块。

解决12V至48V的双向桥接

48V具有多种优势，但目前传统数据中心架构90%以上仍然以12V供电为主，但包括加速卡、 OCP 加速器模块、AI服务器、等已经升级到48V系统。

为了实现12V与48V的混合方案，Vicor推出了12V至48V双向转换方案。该方案可自动实现12V至48V的双向转换，无需对外围进行任何修改，并实现了98%以上的转换效率。不仅所需的外部组件最少，而且还可轻松并联，获得更高的功率级。Vicor的桥接方案为客户带来更大的灵活性，在他们应对过渡到 48V 配电时，可充分发挥新一代 AI 卡的优势。最近出现的双向 48V/12V 转换器为云数据中心提供商增加了额外一层灵活性：随着基础架构的发展，既可支持其中一项标准，也可两项都支持。

Davis此前在电话会议时表示：“Intel 和AMD正在将其推出的CPU用于48V数据中心中，在这其中桥接芯片将有着巨大需求，五年后市场总容量将达5亿美元，但相比Intel和AMD在超大规模数据中心应用来说，目前人工智能对于桥接芯片的需求依然占据主导地位。”

12V至 48V双向转换器可广泛应用在包括SXM、OAM以及HGX2等模组中

解决高压DC/DC及AC/DC的转换

机架式服务器的电源市场同样正遇到功率密度激增的挑战。“2015年以前，机架式服务器功率增长并不显著，但之后随着功率的激增，对于机架电源密度有了爆发式增长。2020年，一个机架的功率就可能达到200kW以上，按照以前的功率密度计算，可能需要数十倍的空间，这给供电系统带来了巨大挑战。”

“传统基于银盒（Silver Box）的电源密度提升速度太慢了，Vicor要打破这个传统。”杨周说道。Vicor针对一级供电提供了两种方案，一种是高压直流电源模块，支持400V/800V转至48V。另外一种则是交流转直流模块，该模块仅为iPad大小（92毫米×80毫米×7.5毫米），但可实现5kW功率输出，并支持并联。由于其尺寸较小，因此可以灵活布局，包括机架侧面、背面甚至液冷电源盒中。此外，杨周也表示，目前数据中心依然在采用传统220V供电，但为了实现更高电源密度，应该转向三相380V供电系统。

AC/DC转换器，可灵活布置于各类场景中

Vicor的坚持

十几年前，Vicor就开始围绕48V系统进行研发和推广工作，并累计投入数亿美元。如今，已取得了显著成绩。“在48V的发展过程中，除了明确的数据中心之外，我们看到了包括汽车、工业、机器人、无人机、轨道交通、ATE设备以及LED等都开始涉足48V应用。”孟令冲说道。

根据Vicor最近的2021年2季度财报显示，主要包括48V在内的Advanced Products产品线营收已经占据了公司业务总营收的43%，该业务营收环比增长20%，也正因此Vicor 2季度总体营收实现了环比7.4%的增长，至9540万美元。

而Vicor的长期目标则是Advanced Products产品营收占比达80%，传统砖块电源业务占比将萎缩至20%。“2026年，Advanced Products目标市场容量将达到200亿美元级别。”Davis在财报会议中说道。

也正是因此，Vicor正在扩建一个新的工厂，增加8500平方英尺的面积，预计可满足7.5亿美元年产值产能。此外，Vicor也正在寻找新设工厂的机会，最终实现15亿美元的年产值。

Vicor中国销售总监、数据中心及超级计算负责人陈新军表示：“Vicor是一家追求极致的公司，为了实现产品的小而美，我们不断改进封装、材料、控制技术，从而实现更高的效率与功率密度。同时，我们也在将电源应用简单化、标准化，使得AI公司可以更关注于芯片本身的性能。”

“世界正在发生着快速变化，当我们开始从军事、航空航天与国防等利基型传统市场转向汽车和数据中心等快速发展的新兴市场中，我们的竞争对手也在发生着变化，对手已经从传统的电源供应商变成了更多的半导体公司。”Davis说道。“我们也必须做出一些改变。”

在2021年股东大会上，Vicor提出了新的五层化增长策略，包括既有客户、新客户、高增长市场、创新产品与技术以及更明晰的品牌信息，而这一切中的绝大部分，都将围绕着48V架构所进行。