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近20年，以数据为基础、以网络为媒介、以计算为核心的科技急速发展，全球进入移动互联网时代，产生的数据量相当于过去数世纪的数据量总和，并持续以指数级的数量增加。其中，云计算取得了令人瞩目的成绩，从2006年亚马逊首次推出云服务，到如今逐渐成长为万亿规模的巨大市场，云计算在为企业和个人提供数字化转型赋能的同时，自身也实现了持续高速的增长。据思科预测，到2021年全球数据中心流量将增长到每年20.5ZB，而95%的数据中心流量将是云流量，云计算正逐渐成为全网流量增长的核心推动力。
图 | 数据中心示意图
与此同时，承载云计算应用的各类型数据中心与私有服务器对于数据处理的需求与速度更是到达了前所未有高度。传统的基于CPU 的软件处理和加速，已经无法满足这种新型的基于人工智能和大数据的应用。于是，为了满足未来智能世界对于计算加速的需求，各大厂商分别推出了基于GPU （图形处理器），FPGA （可编程逻辑门阵列），以及ASIC（专有集成电路）芯片的硬件加速系统，用于计算加速、存储加速以及通讯加速领域，比如赛灵思就数据中心应用推出的ALVEO系列等。
如今，数据中心和云计算对于加速卡的应用越来越广泛，各类计算加速芯片与加速硬件对其供电系统的性能需求也正不断升级。以FPGA为例，几年前市场上FPGA的工艺制程是28nm，后来迅速推广到了16nm，现在最新一代的专门针对加速卡市场推出的加速芯片，已经用到了最先进的7nm制程。更先进制程的使用，对于核电压的要求越来越低，同时使得在同样的尺寸内可以加入更多的逻辑单元，逻辑单元一多，芯片的整体功率就越大。此外，加速芯片厂商为了提供更复杂功能的加速芯片，在应用更先进的工艺的同时，还会集成更多的功能单元，比如集成加速逻辑单元以外的ARM处理器、DSP，以及专门优化过的加速引擎。
图 | 加速芯片供电架构示意
这种越来越高的集成化将会使加速芯片的电源解决方案跟着变越复杂，它需要不同电压、不同路的多路的输入。此外，为了应对各种各样不同的加速应用，就同一个系列下的芯片，加速芯片的厂商会针对不同的应用做出不同的优化，这种优化就会造成加速芯片的电压轨和输入的电流各不相同。更进一步，即便是同一款加速芯片，它在不同应用场合使用到的内部的逻辑资源也是不同的，有的内核资源利用率是80%，那么它对核供电的电流的要求就基本要求100%，比方说满载是120A，那么它可能就需要用到120A；而有的内核资源利用率是50%，那么对于核供电的电流要求也会下降，同样是120A的满载，它可能只需用到50A/60A。
综上：随着云计算应用的不同，电源解决方案的电压轨数量，电流大小将各不相同，呈现大动态的趋势。下面总结了关于加速硬件电源方案的四条趋势：
1.高响应Agility
高响应需要从两个角度来理解，首先电源的解决方案需要有更高的响应速度以适应更大的动态跳变，其次整个电源解决方案的开发速度需要非常快，以适应更短的加速硬件的研发周期。
2.高效率Efficient
高效率就是我们需要提供高效率的解决方案，以应对更加紧凑的硬件设计。
3.集成化Integration
集成化也需要从两个维度来理解。首先，由于加速卡的设计非常紧凑，密度越来越高，我们需要用全集成的模块化设计（集成晶圆、功率管、电感和阻容元件等）来替代分立方案，从而减少电源硬件的占板面积，为内存、HBM（High‐bandwidth Memory）等其他功能模块腾出空间。其次，集成化还体现在电源的多路输出方面，换句话说，我们要在同一个封装内加入多个输出，这种多路输出会灵活地匹配日趋复杂、集成度更高的加速芯片。
4.可拓展Scalable
云计算行业正处于加速发展的过程中，其间不免会涌现出一批新兴的应用，这就要求我们的电源方案要足够灵活，而可拓展的电源方案可以更灵活搭配多种加速环境和应用，促进云计算行业迅速落地。
面对行业变革和技术挑战，MPS大电流模块产品经理杨恒表示，“近日MPS推出的新一代大电流低电压电源模块解决方案，直击云计算加速供电系统的痛点，可完美契合上述四大发展趋势。”
首先，MPS独特的COT（constant-on-time）以及MCOT(multi-phase constant-on-time) 控制方法，可以实现大动态负载下的高速响应 (Agility)，减少输出电容的数量，减低客户的BOM成本。以MPM3695-100四模块并联应用为例，如下图所示，对于12V输入，0.75V输出，0A-250A的负载大动态切换（100A/us），MPS电源模块可以实现不超过+/-3%的输出电压偏移，从而解决各类加速芯片对于输入电压精度的高要求以及由于计算负载切换而产生的大动态电流的矛盾。
图 | MPM3695-100四模块并联大动态响应
（VIN=12V; VOUT=0.75V; 100A/us切换速率；0A-250A动态切换）
其次是针对加速芯片集成性对于供电系统的设计提出的挑战，比如多路电源输入，同时对于电压、电流的要求各不相同，占板面积要尽量小等。MPS推出了多种多路输出电源模块，采用先进封装技术集成了多路输出的功率芯片与被动元器件。以业界首款四路电源模块MPM82504为例，如下图所示，该产品为四路25A电源模块，同时可实现并联两路、三路、四路，也可以多个MPM82504模块并联，实现更灵活的输出组合。
图 | MPM82504四路输出可拓展电源模块，支持多路并联及多模块并联
值得一提的是，MPS具有多种全集成多路输出电源模块，包括双路输出、四路输出产品，为更多的应用提供了完整解决方案。下图展示MPS多路输出模块的规格，其中双路输出模块MPM3690系列产品有三种输出规格可选，它的双路EN/PG管脚可用作时序控制。四路输出模块MPM81204是一款双路 12A / 双路 5A 电源模块，具有高速动态响应，外部元件极其简单，非常适合5G 信号收发器等应用。当然还有曾荣获“年度电源管理/电压转换器”称号的MPM54304（首款带数字电源管理功能的电源模块），以及它的升级款MPM54504-四路5A电源模块等一系列产品。
图 | MPS多路输出电源模块规格
最后要强调的是，多路可并联电源模块为加速芯片日益增加的电流需求提供了可拓展性（Scalable），为不同场景下多路电源及不同电流的需求提供了单一模块的解决方案，进一步减少了客户新产品的研发成本及时间，同时可快速匹配加速芯片厂商对于不同的加速场景所推出的各类芯片。由于各个芯片对于供电电流和电压轨数量各不相同，加速硬件厂商需要针对不同的加速芯片重新设计电源方案，增加了产品研发时间和成本。为了实现加速硬件对于不同加速芯片供电方案的快速设计，MPS推出了多款可拓展的电源模块。这样，加速硬件设计师就可以重复使用单一电源模块的设计，通过并联电源模块的多个输出或并联多个模块来实现输出电流的拓展。以MPM3695-100 为例，该产品可以由单模块100A输出扩展为：双模块200A，3模块300A， 最多8模块并联800A输出等供电方案，以支持更广泛的系统要求。下图展示了该模块在8模块并联的应用。
图 | MPM3695-100 8模块并联800A解决方案
结束语
本文主要分析了云计算中加速芯片供电方案面临的挑战和寻求的解决方案举例。事实上，用电量一直是云计算所依托的数据中心面临的一大难题。据悉，数据中心2020年用电量约占全社会总用电量的2.7%，随着数据中心投产规模的增加，这一占比将持续上升。在可预见的未来，如何在不影响算力的前提下降低总体用电量，将成为系统服务商以及芯片提供商努力的方向。
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