Las aplicaciones de inteligencia artificial provocan un enorme aumento del consumo

La tecnología impulsa un aumento de la velocidad y como consecuencia de ello las cargas de los procesadores funcionan con corrientes más altas, tensiones más bajas y unas pendientes de salida mucho más elevadas. La mayor complejidad de E/S dificulta enormemente el suministro de la alimentación adecuada el núcleo con un bajo nivel de pérdidas en la red de alimentación. Las soluciones convencionales se están viendo incapaces de lograrlo y ello exige un nuevo planteamiento.

Por ejemplo, el uso de un regulador de tensión (voltage regulator, VR) para procesadores basado en la arquitectura FPA (Factorized Power Architecture) de Vicor puede reducir tanto los cuellos de botella como las pérdidas en la red de alimentación. Esta solución supone un cambio respecto a los métodos multifase y aborda de forma original cada uno de los retos que conllevan los desarrollos de VR destinados a las nuevas tecnologías de procesadores. FPA también admite la tecnología de alimentación vertical (Vertical Power Delivery, VPD), que disminuye las pérdidas hasta un 95% y elimina los cuellos de botella liberando hasta un 100% del perímetro del procesador.

El consumo de los procesadores de alto rendimiento se duplica

Los rápidos desarrollos de la Inteligencia Artificial (IA) y sus tecnologías de soporte han incrementado las necesidades de rendimiento y las cargas de trabajo de los procesadores. Para alcanzar este mayor rendimiento, las tensiones nominales del núcleo han disminuido entre 0,75 y 0,85V. Por su parte, el consumo de corriente nominal ha aumentado hasta un promedio de unos 400A (800A de pico). La tendencia indica que se ha duplicado en los últimos 4 años y sigue creciendo a un ritmo parecido.

La disminución de la tensión y el incremento de la corriente presentan dos problemas. En primer lugar, el aumento de la corriente incide sobre las pérdidas en el cobre. Los planos y los orificios de cobre que conectan el VR al procesador presentan una limitada resistencia. Al aumentar la corriente del procesador también aumentan las pérdidas por el cuadrado de la corriente, lo cual disminuye la eficiencia y genera más calor que se ha de gestionar en la placa del procesador. En segundo lugar, la caída de tensión en la red de alimentación es proporcional al incremento de la corriente. A medida que disminuye la tensión, el efecto de esta caída de tensión es cada vez mayor sobre el rendimiento del procesador. Por ejemplo, una carga del núcleo de 400W con una pista de 100uohm ofrece un resultado que se queda corto en un 4% para un carril de 1V y de un 7% para un carril de 0,75V, es decir, unas dos veces superior. Las restricciones físicas de la red de alimentación limitan las opciones para reducir la resistencia. Añadir capas de cobre o incrementar el grosor del cobre en la placa principal provocarán un descenso de la resistencia, pero para lograr la misma caída de tensión del 4% a 0,75V la resistencia de la pista tendría que disminuir casi a la mitad. Generalmente no es posible duplicar la cantidad de cobre para transportar la misma corriente debido a limitaciones de coste y/o de tipo físico.

En resumen, la verdadera dificultad estriba en colocar el VR más cerca del procesador que alimenta.

Aunque pueda parecer sencillo, su implementación es compleja. En primer lugar, desde el punto de vista de la integridad de la señal. Acercar el VR multifase de conmutación dura al procesador añade todo el ruido inherente del propio VR. El problema se complica más por el número necesario de fases discretas.

Una segunda complicación es el tamaño. El encapsulado de un procesador suele medir 60mm x 60mm. Aunque parece grande, hay que tener en cuenta que la mayor parte de la superficie se destina a las conexiones de E/S. Todo el calor se genera en el núcleo y en última instancia todas las corrientes elevadas han de llegar hasta él. Esto significa que, aunque el VR se coloque junto al borde del encapsulado, sigue quedando una distancia significativa que ha de recorrer hasta el núcleo. En un VR convencional, una corriente más alta necesita más fases. Dado que la mayoría de los VR multifase son dispositivos discretos, el inductor y la etapa de conmutación se han de diseñar por separado y en la mayoría de los casos también se han de refrigerar por separado. Por tanto, cuanto mayor es el número de fases, mayor es el tamaño del VR lo cual complica su colocación cerca del procesador.

La arquitectura FPA alcanza nuevos niveles de eficiencia energética

La arquitectura FPA (Factorized Power Architecture) se basa en el principio fundamental de dividir un convertidor de potencia en dos funciones primarias, optimizar ambas por separado e implementarlas como un solo sistema. Las dos funciones son la regulación y la multiplicación de corriente.

Regulación

La eficiencia de un regulador es inversamente proporcional al trabajo necesario: cuanto más trabajo, menos eficiencia. Cuanto más próximas sean las tensiones de entrada y salida de un regulador, menor es el trabajo y mayor es la eficiencia alcanzada. Gracias a su posición en el sistema, FPA minimiza la diferencia entre la tensión de entrada y salida del regulador. El regulador utiliza una topología reductora-elevadora (Buck-Boost) con conmutación a tensión cero (Zero Voltage Switching, ZVS) implementada como un módulo prerregulador o PRM cuya eficiencia es muy alta cuando la diferencia entre la tensión de entrada y salida es pequeña. ZVS reduce enormemente las pérdidas en conmutación, permitiendo así el funcionamiento a alta frecuencia que también reduce enormemente el tamaño del convertidor. El PRM suele regular una entrada entre 40 y 60V hasta una tensión de salida de 30 a 50V.

Transformación

El PRM va seguido de una segunda etapa cuya la función es disminuir la tensión y la corriente: el denominado multiplicador de corriente, que se implementa mediante una topología SAC (Sine Amplitude Converter) en un dispositivo llamado VTM. El funcionamiento del VTM se puede describir como el de un transformador ideal duyas tensiones de entrada y salida guardan una proporción fija y la impedancia del dispositivo permanece baja (centenares de µΩ) por encima de 1MHz.

Dado que no se almacena energía en el VTM, puede proporcionar grandes cantidades de potencia si se mantiene suficientemente refrigerado. Esto permite adaptar la capacidad de alimentación VTM a la capacidad térmica del procesador.

Juntos, el PRM y el VTM constituyen los principales bloques de FPA. Uno dedicado a la regulación seguido de otro a la etapa de transformación.

El encapsulado SM-ChiP reduce el ruido y mejora la respuesta térmica

Si bien la topología y la arquitectura utilizadas para implementar un regulador de alto rendimiento son importantes, de igual o mayor importancia es el encapsulado. Vicor ha llevado este planteamiento un paso más allá con su encapsulado SM-ChiP, que integra todo (componentes pasivos, magnéticos, FET y control) en un solo dispositivo. Además este encapsulado se ha diseñado para permitir la extracción más eficiente de corriente con la impedancia térmica más baja para facilitar la refrigeración. Muchos SM-CHiP también incluyen blindaje metálico con conexión a tierra en gran parte de la superficie del dispositivo. Esto sirve no solo para facilitar la refrigeración sino también para localizar corrientes parásitas de alta frecuencia con el fin de evitar que se propaguen fuera del dispositivo.

La alimentación lateral recorta las pérdidas de la red de alimentación en un 50%

Con el objetivo de proporcionar flexibilidad a una amplia variedad de aplicaciones, Vicor ha desarrollado diversos PRM y VTM con una considerable granularidad en nuevas configuraciones que reducen las pérdidas en la red de alimentación. Por ejemplo, implementar un solo VTM de una corriente más alta como dos VTM de menor corriente permite colocarlos a ambos lados del zócalo del procesador. Esto reduce las pérdidas de la red de alimentación en un 50% al dividir la corriente por la mitad y añadir una conexión por separado hasta el área del núcleo. Las pérdidas se pueden reducir aún más con tres o incluso cuatro implementaciones laterales.

Con sus 2,8mm, el VTM es más fino que la mayoría de los elementos mecánicos de soporte para el procesador, como zócalos del encapsulado, refuerzos y disipadores de calor. Colocar el VTM bajo estos elementos los vincula al sistema de gestión térmica del procesador y elimina la necesidad de un disipador especial para el VTM, además de reducir las pérdidas de la red de alimentación gracias a la colocación del multiplicador de corriente más cerca del núcleo.

Estos son ejemplos de alimentación lateral (Lateral Power Delivery, LPD). En LPD, el multiplicador de corriente se encuentra al lado del procesador en la placa principal y la corriente circula lateralmente del VR al procesador. Esto supone una pérdida inherente, con independencia de la distancia entre el multiplicador de corriente y el núcleo del procesador.

La solución a esta pérdida inherente es la alimentación vertical (Vertical Power Delivery, VPD), en cuyo caso el multiplicador de corriente se coloca en el lado opuesto del procesador, justo debajo de él. Esto elimina las pérdidas de la red de alimentación al acortar la distancia. VPD ha de cumplir dos requisitos clave para desempeñar esta función.

En primer lugar, el área situada justo debajo del procesador contiene condensadores de alta frecuencia que son necesarrios para desacoplar las corrientes de alta frecuencia (>10 MHz) del resto del sistema. En segundo lugar, para lograr la máxima eficiencia, la ubicación física y la pauta de la corriente de la solución VPD deben reproducir con exactitud la ubicación y la pauta de las entradas de alimentación del núcleo del procesador. Esto permite que el flujo de corriente tenga un verdadero perfil “vertical”.

Para cumplir estas características, la solución VPD de Vicor está formada por multiplicadores de corriente VTM implementados con una “Gearbox” que incorpora un módulo GTM (Geared Transformer Module). La Gearbox desempeña dos funciones: proporciona la capacidad de desacoplamiento de alta frecuencia y redistribuye la corriente desde el VTM reproduciendo la pauta del procesador situado encima. El conjunto de VTM en un GTM tiene un tamaño que depende de la corriente de salida que necesite el procesador y la pauta del BGA de la Gearbox se basa en el procesador. Por tanto, el GTM representa la combinación de una solución estándar (VTM) y personalizada (Gearbox).

Una mejor manera de alimentar la informática de alto rendimiento

La implementación de soluciones LPD y VPD con arquitectura FPA y encapsulados SM-CHiP aporta una extraordinaria disminución de las pérdidas de la red de alimentación para procesadores de baja tensión y alta corriente. Dado que la corriente del procesador aumenta hasta llegar a 1000A e incluso más, la alimentación estará en condiciones de asumir las tensiones más bajas y las corrientes más altas del núcleo, disminuir las pérdidas de la red de alimentación y aumentar la eficiencia del sistema.