Los recientes avances en computación para inteligencia artificial (IA) han permitido aumentar de forma significativa la necesidad de proceso de alta potencia. Los chips de proceso para IA, que utilizan circuitos integrados de gama alta con varios núcleos y miles de millones de transistores, consumen centenares de amperios y suponen todo un reto para el diseñador de sistemas de alimentación. Los ingenieros que crean sistemas en chip de alta densidad y alto consumo ahora disponen de una nueva herramienta que puede ayudarles a simplificar la parte del proyecto correspondiente a la alimentación: el encapsulado Power-on-Package (PoP), que integra las etapas finales y más importantes de la cadena de alimentación en el sustrato del chip de proceso, como se puede ver en la Figura 1, y ofrece ventajas en cuanto a rendimiento y eficiencia. (Un “chip de proceso” describe en este caso tanto a las unidades centrales de proceso o CPU como a las unidades de proceso gráfico o GPU, las FPGA complejas o los ASIC a nivel de sistema).
La evolución de la tecnología de los semiconductores ha provocado enormes cambios en los requisitos de alimentación de dispositivos como los núcleos de procesadores. Las tensiones del núcleo se han reducido de 5V a 3,3V, luego a 1,8V y en la actualidad están por debajo de 1V. La progresiva disminución de tamaño permite integrar más circuitos lógicos en un chip, hasta tal punto que muchos dispositivos complejos tienen limitaciones de tipo térmico: la cantidad de calor que el encapsulado es capaz de disipar establece el límite de lo que se puede integrar en el chip. Dado que la potencia de diseño térmico a menudo supera con creces los 100W, la corriente de entrada necesaria ha aumentado enormemente a causa del descenso de la tensión de alimentación y ha dejado de ser excepcional encontrar valores del orden de varios centenares de amperios para la corriente. En la práctica, los chips de proceso se suelen alimentar mediante una regulación multifase a partir de un bus distribuido de 12V, pero con esta técnica resulta muy complicado suministrar centenares de amperios.
A medida que han disminuido las tensiones de alimentación ha aumentado la calidad exigida a la alimentación. Dado que los márgenes de conmutación lógica constituyen una parte importante de la muy baja tensión de alimentación, la propia alimentación debe ser muy estable y generar un nivel muy bajo de ruido con el fin de eliminar la posibilidad de que los transitorios de tensión generen falsos disparos. Con corrientes de centenares de amperios, incluso la más mínima resistencia en la ruta de la fuente de alimentación puede provocar una caída inaceptable de la tensión (I²R). Lo mismo ocurre para la ruta de alimentación en su conjunto ya que puede generar pérdidas no deseables. Además, los chips de proceso a menudo sirven para conmutar núcleos de procesadores completos u otros grandes segmentos de lógica en el orden de nanosegundos, lo cual exige elevados picos de corriente que la alimentación debe ser capaz de satisfacer sin generar transitorios no deseados. La solución PoP representa la convergencia de tendencias distintas pero relacionadas en el diseño de fuentes de alimentación: separación de las funciones de transformación y regulación de la tensión, y movimiento gradual de la última etapa de los sistemas de alimentación hasta el punto de carga.
En su búsqueda de sistemas de alimentación más eficientes y de mayor rendimiento, Vicor ha desarrollado módulos aún más avanzados y ha evolucionado su arquitectura FPA (Factorized Power Architecture) en una serie de pasos hasta llegar a la actual solución PoP que permite el uso de FPA en aplicaciones de supercomputación de alto rendimiento. La alimentación factorizada permite la distribución de una tensión más alta, generalmente 48V, por un sistema y en la placa principal con una conversión en una sola etapa a partir del calor hasta el punto de carga. En las soluciones convencionales disponibles en el mercado es difícil conseguir un factor de conversión tan alto. Vicor ha desarrollado una topología denominada SAC (Sine Amplitude Converter) con la cual es posible obtener factores muy elevados de manera eficiente y con bajos niveles de pérdidas y de ruido. Con SAC, los MOSFET de potencia solo conmutan en los puntos de cruce con tensión y corriente iguales a cero, eliminando así casi por completo las pérdidas en conmutación. Además la frecuencia de conmutación puede ser elevada y ello minimiza la necesidad de capacidad de filtrado de salida.
En la solución PoP se coloca un módulo denominado multiplicador de corriente modular (MCM) directamente sobre el sustrato del chip de proceso. Como indica su propio nombre, el MCM funciona como convertidor CC/CC de factor fijo (en la práctica es un “transformador de CC”). Genera la gana tensión y la alta corriente que necesita el silicio a partir de la corriente más baja y la tensión más alta procedente de las patillas del sustrato/ encapsulado del chip de proceso, y que se suministra a través del sustrato o placa de circuito impreso sobre el que se halla el chip de proceso. Esta configuración ofrece varias ventajas evidentes: el pico más alto de corriente es la ruta del MCM al chip de proceso; una resistencia muy baja genera unas bajas pérdidas I²R; y una inductancia muy baja en esta ruta contribuye a mejorar la respuesta ante transitorios del MCM.
Esto se refiere a la “última pulgada”, es decir, los milímetros finales en la ruta de alimentación hasta el chip de proceso, como muestra la Figura 2. En una solución convencional, las pistas de cobre en la última pulgada, así como las patillas del encapsulado, pueden presentar una resistencia del orden de unos pocos centenares de microohmios. Para un chip de proceso de gama alta que consuma 200A, una ruta de 500μΩ daría como resultado una caída de 100mV, es decir, más del 10% del carril de alimentación de menos de 1V. Aún más problemático es que las pérdidas I²R en este ejemplo añaden otros 20W de calor generado en la proximidad del chip de proceso. Para superar estos obstáculos, la técnica basada en PoP coloca el MCM sobre el encapsulado del dispositivo y ello permite suministrar toda la alimentación al chip de proceso por medio de la placa principal con el fin de seguir obteniendo altos niveles de tensión y bajos niveles de corriente.
De esta forma se reducen las pérdidas en la propia placa de circuito impreso y se puede ahorrar cobre en los planos de potencia. La única manera de proporcionar una ruta con una impedancia suficientemente baja sin un convertidor sobre el sustrato consiste en asignar muchas patillas a la alimentación. No obstante, si se coloca el MCM directamente sobre el sustrato del chip de proceso, la alimentación suministrada de la placa de circuito impreso al encapsulado del chip de proceso transporta corrientes que suelen ser unas 50 veces más pequeñas que el valor necesario para alimentar el núcleo. Esto disminuye hasta 10 veces el número de patillas destinadas a alimentación en el sustrato del chip de proceso. Al igual que en un diseño tradicional basado en FPA, el sistema PoP incorpora una etapa de prerregulación antes del multiplicador de corriente: un módulo controlador de MCM (MCM Driver module, MCD) que se monta sobre la placa principal.
Con el objetivo puesto en ofrecer un formato físico adecuado para el montaje sobre el sustrato del chip de proceso, Vicor ha configurado el encapsulado SM-ChiP (Figura 4) mediante un nuevo desarrollo de las técnicas empleadas en sus módulos VI Chip. El SM-ChiP se basa en el montaje superficial con terminaciones de mínima impedancia hasta el sustrato (o placa principal). El módulo MCM3208S- 59Z01A6C00 mide 32 x 8mm y 2,7mm de altura; un par de ellos suministra 2 x 160A de forma continua o un pico de corriente de 2 x 320A, para lo cual cuenta con el MCD3509S60E59D0C01, un MCD que mide 35 x 9 x 4,9mm que se coloca sobre la placa de circuito impreso y es capaz de alcanzar una potencia media de 400W y máxima de 600W.
Para corrientes aún más elevadas, dos módulos MCM4608S59Z01B5T00 de 46 x 8 x 2,7mm, cada uno de ellos para una corriente media de 300A y máxima de 500A, permiten que el sistema alcance una corriente máxima de 1kA. El MCD adjunto MCD4609S60E59H0T00 de 46 x 9 x 4,9mm se monta sobre la placa principal con el fin de proporcionar 650W de potencia media y 1000W de potencia máxima. La elevada corriente que requieren las nuevas generaciones de superordenadores exige replantear la alimentación. Ahora que un par de centímetros de distancia entre el regulador y el chip de proceso son claves para las pérdidas de potencia, el encapsulado PoP ofrece una solución que permite obtener los altos niveles de eficiencia y densidad en la alimentación que son fundamentales para los chips de proceso de alta potencia. El PoP elimina las barreras que caracterizan a las soluciones de alimentación convencionales gracias una tensión distribuida más elevada (48V) y a la transformación de la tensión en la etapa final de forma directa y adyacente al chip de proceso, que en la práctica acaba con la última pulgada.
