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Power AI プロセッサ クラスター VICOR
2023-12-08
最近、AI ASIC プロセッサをベースにした新しいクラスター スーパーコンピューターの導入により、送電ネットワークの境界が数年前には想像もできなかったレベルに引き上げられました。 100kA/ASICクラスターに近い電流レベルのアプリケーションでは、このような高電流需要を供給するために、電力システムのアーキテクチャ、トポロジー、制御システム、およびパッケージングを革新する必要があります。 電力レベルは継続的に向上しているため、電力伝送に 48V 電力バスを使用することが非常に重要です。 さらに、プロセッサ クラスタのアプリケーションの小型化により、電源方式をプロセッサの隣に水平に配置する実現可能性が制限されるため、問題を解決するには新しい電源方式が必要になります。 VICOR 48V 直接負荷 ( クラスター送電の課題 クラスター ASIC システムは、AI トレーニング ワークロード (自動運転など) に必要な数兆の処理性能を実現するために、必要な高速帯域幅を実現するために緊密なパッケージングを採用しています。 クラスター内の各プロセッサ自体には、600 ～ 1000 アンペアの電流が必要になる場合があります。 したがって、単一プロセッサのアクセラレーション カードであっても、電源スキームの配置位置がプロセッサの電源ピンに近くないと、深刻な PCB または基板のインピーダンス損失が発生し、電力伝送に問題が生じます。発信者の喪失。 さらに、人工知能（AI）の急速な発展を実現するために、GPUと特殊なAIプロセッサーは7Nmと5nmプロセスを採用しており、間もなく3nmシリコンプロセスノードが使用される予定です。 これらのプロセス ノードの公称コア動作電圧は、現在 0.75 ～ 0.85v です。 システムのパフォーマンスを高速化するために、クラスター内に 8 つの GPU ベースのプロセッサーとカードを搭載し、高いパフォーマンス要件を備えたシステムの各ラックにそれらを配置します。 ただし、cerebras と Tesla からの最近の導入では、AI ASIC 自体をクラスタリングする別の方法が示されています。 この方法では、優れた計算能力と高い電力密度を備えたスーパーコンピューターを生成できますが、電力伝送に関する厳しいテストや熱管理/冷却に関する課題も伴います。 電力伝送のために、ASIC / GPU クラスターには、シングル プロセッサーやデュアル プロセッサー AI カードのような水平方向の電力伝送スペースがありません。 ASIC/GPU クラスターで使用される高速 I/O 信号は、高電流スイッチング ノイズ (つまり、ハード スイッチング多相降圧レギュレーターが動作するときに生成されるノイズ) に非常に敏感です。 したがって、ハード スイッチング多相電源方式をプロセッサに近づけると、電流スイッチング ノイズが増加します。 この場合、電源スキームの設計は、ノイズに敏感な I/O 信号の要件を満たすだけでなく、PDN 値を可能な限り低減する必要があります。 40 ～ 60A/相の一般的な設計値では、各 AI ASIC または GPU にピーク電流を供給するために必要な多相電源方式の数 (多くの場合、各 AISC の電流需要は 1500A を超えます) は、ゆうに 30 を超える可能性があります。段階。 このアプリケーション シナリオでは、従来の横方向電源 (多相降圧方式) を実現するのはほとんど困難です。 スプリットレシオ電源の電流伝送のロックを解除する新しいモード スプリット・レシオ・アーキテクチャ（FPA）の基本原理は、電力変換器を2つの主要な機能に分割し、それぞれの機能を最適化してシステムとして実現することです。 これら 2 つの機能は、電圧の安定化と電流の増倍です。 電圧の安定化 電圧レギュレータの効率は行われた仕事量に反比例し、仕事量が増えるほど効率は低くなります。 レギュレータの入力電圧と出力電圧が近いほど、実行される仕事が少なくなり、効率が高くなります。 システム内のスプリット比アーキテクチャの位置を最適化することで、レギュレータの入出力電圧差を最小限に抑えることができます。 PRM 電圧レギュレータはゼロ電圧スイッチング (ZVS) 昇降圧トポロジーを採用しており、入力と出力の電圧差が小さい場合に高い効率を発揮します。 ZVSはスイッチング損失を大幅に低減し、高周波動作を実現し、コンバータの大幅な小型化を実現します。 PRMは通常40～60Vの入力電圧を30～50Vの出力電圧に調整します。 ソフトスイッチングと電流増倍 PRM の後には第 2 ステージが続き、電圧降下と電流上昇の機能が実行されます。 これは、トポロジー電流乗算器モジュールの正弦波振幅 (SAC ） VTM を使用しています。VTM の特性は、理想的なトランスとみなすことができます。その入力電圧と出力電圧は一定の比率で関連付けられており、非常に低いインピーダンス (数百の) 動作周波数が1MHzを超える場合。 VTM にはエネルギー貯蔵装置がないため、十分な冷却を維持する限り、十分なエネルギーを供給できます。 これにより、VTM の電力容量がプロセッサの熱容量と一致します。 Sac トポロジでは、ゼロ電圧およびゼロ電流のスイッチング制御システムが使用されており、スイッチング ノイズと電力損失がさらに低減されます。 
PRM と VTM これは FPA に不可欠な部分です。 PRM は、システムの入力電圧範囲と電力要件に従って選択されます。 VTM は、出力電圧範囲と電流要件に応じて選択されます。 PRM はシステム内の任意の場所に設置できます。 VTM は、プロセッサ コアのできるだけ近くに設置する必要があります。 PRM と VTM は合わせて FPA の機能モジュールを構成します。1 つは特に電圧の安定化に使用され、もう 1 つは特に電圧変換と電流増倍に使用されます。 SMチップパッケージによりノイズが低減され、放熱性が向上します。 高性能電圧レギュレータの実装に使用されるトポロジーとアーキテクチャは重要ですが、パッケージング技術も同様に重要です。 Vicor SM-ChiP このパッケージは、すべての受動デバイス、磁気デバイス、MOSFET、およびコントローラーを 1 つのモジュールに統合します。 さらに、パッケージ設計により大電流を効果的に供給でき、熱インピーダンスを最小限に抑えてモジュールの冷却を容易にします。 多くの SM チップ デバイスには、外面の大部分に金属シールドが接地されています。 これは冷却に貢献するだけでなく、高周波の寄生電流ノイズがデバイスの外部に広がるのを防ぎます。 垂直電力伝送モードにより PDN 損失を 95% 削減可能 大規模なクラスター プロセッサ アレイの場合、従来の水平電力伝送モードを採用することはほとんど不可能です。 クラスター プロセッサーの電源に最適なソリューションは、垂直送電 (VPD) です。 VPD では、電流乗算器はマザーボードの反対側のプロセッサの下に直接配置されます。 マザーボードを流れる電流の距離を短くすることで、PDN損失を大幅に低減します。 VPD は、この機能を実現するために 2 つの重要な機能を必要とします。 
垂直電力伝送方式 GTM プロセッサーの下に電流逓倍器を配置し、電力伝送性能を最大限に高めます。 垂直送電 (VPD) ソリューションは、より高度な I/O ルーティング、オンボード メモリ、またはより緊密なプロセッサ クラスタを含むソリューション向けにも設計されており、周辺機器のアプリケーションの数を大幅に削減します。 まず、垂直電源方式 (VPD) は、UHF 電流 (> 10MHz) をシステムの他の部分から切り離すために必要な多くの高周波コンデンサーを含むプロセッサーの直下の領域に配置する必要があります。 第 2 に、最大の効率を達成するには、実際の高電流「垂直」電源を実現するために、VPD ソリューションの現在の出力位置とスタイルが、プロセッサ上の現在の入力位置とミラー スタイルと一致している必要があります。 これらの機能を実現するために、VICOR VPD ソリューションは 3 つの層で構成される統合モジュールです。下層はギアボックス、中間層は VTM 電流乗算器アレイ、上層は PRM 電圧レギュレーターであり、このような 3 層が完全な VPD を形成します。ギアボックスは 2 つの機能を実行します。1 つは高周波デカップリング コンデンサーを組み込むことで、もう 1 つは VTM からの電流を再分配して、上記のプロセッサーのイメージと一致するモードを形成することです。 VTM アレイのサイズはプロセッサの入力電流要件によって決まり、PRM のサイズは総電力需要によって決まります。 GPU または ASIC が複数の電源レールを必要とする場合、VTM 層と PRM 層はそれぞれ独立した PRM と VTM を使用して実現でき、そのサイズは特定の各レールの電流および電圧要件を満たすことができます。 
Vicor DCM 高度なパッケージで実装された ASIC クラスター用の完全な 48 V 負荷 VPD ソリューションです。 PRM 、 VTM モジュールのギアボックス層は、電圧の安定化、電流の増倍、デカップリング容量、およびピン間のパッケージマッチングを提供します。 Vicor FPA アーキテクチャ、ZVS および ZCS 制御システム、高周波サック 現在の乗算器トポロジーと SM チップ パッケージング技術により、VPD を向上させるすべての要素が提供されます。 これにより、低ノイズとクラスター電力伝送の問題が解決され、高効率と強力な熱適応性により、冷却と熱管理の機械設計が簡素化されます。 VPD ソリューションにより、プロセッサーはクラスターを通じて高速かつ大量のデータを分析できるようになり、トレーニング モデルを改善し、機械学習を大幅に高いレベルに改善し、高性能 AI システムの真の推進者となります。 高性能のコンピューティング能力を得るより良い方法 AI と機械学習は成長の第一段階にあり、この流れは年月の経過とともにさらに加速するでしょう。 この高速化には、より複雑なデータをより高速に処理するソリューションが必要です。 AI ASIC プロセッサをベースにした新世代のスーパーコンピューターは、従来のスーパーコンピューターよりも多くの電力を必要とします。 新しい革新的な電力伝送スキームが、AI がその取り組みを実現する唯一の方法です。 増加する高電流需要に対応するには、電力システムのアーキテクチャ、トポロジー、制御システム、パッケージングが連携して機能する必要があります。 電流乗算器を使用した垂直電源方式が推奨されるソリューションです。 これは、高性能コンピューティングに対する今日の需要を満たすことができ、将来のニーズに合わせて簡単に拡張できる、実績のある成熟したソリューションです。 コンパクトな構造と高効率を備えており、PDN の電力損失を 50% 以上削減できます。
PRM と VTM これは FPA に不可欠な部分です。 PRM は、システムの入力電圧範囲と電力要件に従って選択されます。 VTM は、出力電圧範囲と電流要件に応じて選択されます。 PRM はシステム内の任意の場所に設置できます。 VTM は、プロセッサ コアのできるだけ近くに設置する必要があります。 PRM と VTM は合わせて FPA の機能モジュールを構成します。1 つは特に電圧の安定化に使用され、もう 1 つは特に電圧変換と電流増倍に使用されます。 SMチップパッケージによりノイズが低減され、放熱性が向上します。 高性能電圧レギュレータの実装に使用されるトポロジーとアーキテクチャは重要ですが、パッケージング技術も同様に重要です。 Vicor SM-ChiP このパッケージは、すべての受動デバイス、磁気デバイス、MOSFET、およびコントローラーを 1 つのモジュールに統合します。 さらに、パッケージ設計により大電流を効果的に供給でき、熱インピーダンスを最小限に抑えてモジュールの冷却を容易にします。 多くの SM チップ デバイスには、外面の大部分に金属シールドが接地されています。 これは冷却に貢献するだけでなく、高周波の寄生電流ノイズがデバイスの外部に広がるのを防ぎます。 垂直電力伝送モードにより PDN 損失を 95% 削減可能 大規模なクラスター プロセッサ アレイの場合、従来の水平電力伝送モードを採用することはほとんど不可能です。 クラスター プロセッサーの電源に最適なソリューションは、垂直送電 (VPD) です。 VPD では、電流乗算器はマザーボードの反対側のプロセッサの下に直接配置されます。 マザーボードを流れる電流の距離を短くすることで、PDN損失を大幅に低減します。 VPD は、この機能を実現するために 2 つの重要な機能を必要とします。 垂直電力伝送方式 GTM プロセッサーの下に電流逓倍器を配置し、電力伝送性能を最大限に高めます。 垂直送電 (VPD) ソリューションは、より高度な I/O ルーティング、オンボード メモリ、またはより緊密なプロセッサ クラスタを含むソリューション向けにも設計されており、周辺機器のアプリケーションの数を大幅に削減します。 まず、垂直電源方式 (VPD) は、UHF 電流 (> 10MHz) をシステムの他の部分から切り離すために必要な多くの高周波コンデンサーを含むプロセッサーの直下の領域に配置する必要があります。 第 2 に、最大の効率を達成するには、実際の高電流「垂直」電源を実現するために、VPD ソリューションの現在の出力位置とスタイルが、プロセッサ上の現在の入力位置とミラー スタイルと一致している必要があります。 これらの機能を実現するために、VICOR VPD ソリューションは 3 つの層で構成される統合モジュールです。下層はギアボックス、中間層は VTM 電流乗算器アレイ、上層は PRM 電圧レギュレーターであり、このような 3 層が完全な VPD を形成します。ギアボックスは 2 つの機能を実行します。1 つは高周波デカップリング コンデンサーを組み込むことで、もう 1 つは VTM からの電流を再分配して、上記のプロセッサーのイメージと一致するモードを形成することです。 VTM アレイのサイズはプロセッサの入力電流要件によって決まり、PRM のサイズは総電力需要によって決まります。 GPU または ASIC が複数の電源レールを必要とする場合、VTM 層と PRM 層はそれぞれ独立した PRM と VTM を使用して実現でき、そのサイズは特定の各レールの電流および電圧要件を満たすことができます。 Vicor DCM 高度なパッケージで実装された ASIC クラスター用の完全な 48 V 負荷 VPD ソリューションです。 PRM 、 VTM モジュールのギアボックス層は、電圧の安定化、電流の増倍、デカップリング容量、およびピン間のパッケージマッチングを提供します。 Vicor FPA アーキテクチャ、ZVS および ZCS 制御システム、高周波サック 現在の乗算器トポロジーと SM チップ パッケージング技術により、VPD を向上させるすべての要素が提供されます。 これにより、低ノイズとクラスター電力伝送の問題が解決され、高効率と強力な熱適応性により、冷却と熱管理の機械設計が簡素化されます。 VPD ソリューションにより、プロセッサーはクラスターを通じて高速かつ大量のデータを分析できるようになり、トレーニング モデルを改善し、機械学習を大幅に高いレベルに改善し、高性能 AI システムの真の推進者となります。 高性能のコンピューティング能力を得るより良い方法 AI と機械学習は成長の第一段階にあり、この流れは年月の経過とともにさらに加速するでしょう。 この高速化には、より複雑なデータをより高速に処理するソリューションが必要です。 AI ASIC プロセッサをベースにした新世代のスーパーコンピューターは、従来のスーパーコンピューターよりも多くの電力を必要とします。 新しい革新的な電力伝送スキームが、AI がその取り組みを実現する唯一の方法です。 増加する高電流需要に対応するには、電力システムのアーキテクチャ、トポロジー、制御システム、パッケージングが連携して機能する必要があります。 電流乗算器を使用した垂直電源方式が推奨されるソリューションです。 これは、高性能コンピューティングに対する今日の需要を満たすことができ、将来のニーズに合わせて簡単に拡張できる、実績のある成熟したソリューションです。 コンパクトな構造と高効率を備えており、PDN の電力損失を 50% 以上削減できます。