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Power AI 프로세서 클러스터 VICOR
2023-12-08
최근에는 AI ASIC 프로세서를 기반으로 한 새로운 클러스터 슈퍼컴퓨터가 등장하면서 송전망의 경계가 몇 년 전만 해도 상상하지 못했던 수준으로 높아졌다. 100kA에 가까운 전류 수준/ASIC 클러스터를 적용함에 따라 이러한 높은 전류 수요를 공급하려면 전력 시스템 아키텍처, 토폴로지, 제어 시스템 및 패키징의 혁신이 필요합니다. 전력 레벨이 지속적으로 향상됨에 따라 전력 전송에 48V 전원 버스를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 또한, 점점 더 컴팩트해지는 프로세서 클러스터 적용으로 인해 전원 구성표를 프로세서 옆에 수평으로 배치하는 것이 제한되므로 문제를 해결하려면 새로운 전원 구성표가 필요합니다. VICOR 48V 직접 부하( 클러스터 전력 전송의 과제 클러스터 ASIC 시스템은 AI 훈련 워크로드(예: 자동 운전)에 필요한 수조 달러의 처리 성능을 실현하기 위해 필요한 고속 대역폭을 달성하기 위해 긴밀한 패키징을 채택합니다. 클러스터 자체의 각 프로세서에는 600~1000A의 전류가 필요할 수 있습니다. 따라서 단일 프로세서의 가속 카드에서도 전원 구성표의 배치 위치가 프로세서의 전원 핀에 가깝지 않으면 심각한 PCB 또는 기판 임피던스 손실이 발생하여 전력 전송 문제가 발생합니다. 발신자 상실. 또한 GPU와 특수 AI 프로세서는 7Nm과 5nm 공정을 채택했고, 3nm 실리콘 공정 노드도 곧 채용돼 인공지능(AI)의 급속한 발전을 실현할 예정이다. 이러한 프로세스 노드의 공칭 코어 작동 전압은 현재 0.75~0.85v입니다. 클러스터에 8개의 GPU 기반 프로세서와 카드를 사용하여 시스템 성능을 가속화하고 고성능 요구 사항이 있는 시스템의 각 랙에 배치합니다. 그러나 최근 cerebras와 Tesla의 도입은 AI ASIC 자체를 클러스터링하는 또 다른 방법을 보여줍니다. 이 방법은 뛰어난 컴퓨팅 성능과 높은 전력 밀도를 갖춘 슈퍼컴퓨터를 생성할 수 있지만 전력 전송에 대한 엄격한 테스트와 열 관리/냉각에 대한 문제도 발생합니다. 전력 전송을 위해 ASIC/GPU 클러스터에는 단일 프로세서나 듀얼 프로세서 AI 카드와 같이 수평적인 전력 전송 공간이 없습니다. ASIC/GPU 클러스터에 사용되는 고속 I/O 신호는 고전류 스위칭 잡음(즉, 하드 스위칭 다상 벅 레귤레이터가 작동할 때 생성되는 잡음)에 매우 민감합니다. 따라서 하드 스위칭 다상 전원 구성표를 프로세서에 더 가깝게 이동하면 전류 스위칭 소음이 더 커집니다. 이 경우 전원 구성표 설계는 잡음에 민감한 I/O 신호의 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 PDN 값을 최대한 줄여야 합니다. 일반적인 설계 값 40~60A/위상에서 각 AI ASIC 또는 GPU에 피크 전류를 제공하는 데 필요한 다상 전원 공급 장치 구성의 수(대부분의 경우 각 AISC의 전류 수요는 1500A보다 큼)는 30개를 쉽게 초과할 수 있습니다. 단계. 이 애플리케이션 시나리오에서는 기존의 횡방향 전원 공급 장치(다상 벅 방식)를 달성하기가 거의 어렵습니다. 분할 비율 전원 공급 장치에 대한 전류 전송 잠금을 해제하는 새로운 모드 분할 비율 아키텍처(FPA)의 기본 원리는 전력 변환기를 두 가지 주요 기능으로 나누고 각 기능을 각각 최적화한 다음 이러한 기능을 하나의 시스템으로 구현하는 것입니다. 이 두 가지 기능은 전압 안정화와 전류 증폭입니다. 전압 안정화 전압 조정기의 효율성은 수행된 작업에 반비례합니다. 작업이 많을수록 효율성은 낮아집니다. 레귤레이터의 입력 전압과 출력 전압이 가까울수록 수행되는 작업은 줄어들고 효율은 높아집니다. 시스템 내 분할 비율 아키텍처의 위치 최적화를 통해 조정기의 입출력 전압 차이를 최소화할 수 있습니다. PRM 전압 레귤레이터는 ZVS(제로 전압 스위칭) 벅 부스트 토폴로지를 채택하여 입력 및 출력 전압 차이가 작을 때 효율이 높습니다. ZVS는 스위칭 손실을 크게 줄이고 고주파 작동을 실현하며 컨버터 크기를 크게 줄입니다. PRM은 일반적으로 입력전압 40~60V를 출력전압 30~50V로 조정한다. 소프트 스위칭 및 전류 증폭 PRM 다음에는 전압 강압 및 전류 상승 기능을 수행하는 두 번째 단계가 옵니다. 토폴로지 Current Multiplier 모듈의 SAC(Sinusoidal Amplitude) VTM을 사용하고 있으며, VTM의 특성은 이상적인 트랜스포머라고 할 수 있으며, 입출력 전압이 고정된 비율로 연관되어 있어 매우 낮은 임피던스(수백Ω)를 유지할 수 있습니다. ) 작동 주파수가 1MHz를 초과하는 경우. VTM에는 에너지 저장 장치가 없기 때문에 충분한 냉각을 유지하는 한 충분한 에너지를 공급할 수 있습니다. 이를 통해 VTM의 전력 용량이 프로세서의 열 용량과 일치하게 됩니다. Sac 토폴로지는 제로 전압 및 제로 전류 스위칭 제어 시스템을 사용하여 스위칭 잡음과 전력 손실을 더욱 줄입니다. 
PRM 및 VTM은 FPA의 필수적인 부분입니다. PRM은 시스템 입력 전압 범위 및 전력 요구 사항에 따라 선택됩니다. VTM은 출력 전압 범위 및 전류 요구 사항에 따라 선택됩니다. PRM은 시스템의 편리한 위치에 설치할 수 있습니다. VTM은 프로세서 코어에 최대한 가깝게 설치해야 합니다. PRM과 VTM은 함께 FPA의 기능 모듈을 구성합니다. 하나는 전압 안정화에 특별히 사용되고 다른 하나는 전압 변환 및 전류 증폭에 특별히 사용됩니다. SM 칩 패키지로 소음 감소 및 방열 향상 고성능 전압 조정기를 구현하는 데 사용되는 토폴로지와 아키텍처도 중요하지만 패키징 기술도 마찬가지로 중요합니다. Vicor SM-ChiP 패키지는 모든 수동 장치, 자기 장치, MOSFET 및 컨트롤러를 하나의 모듈에 통합합니다. 또한 패키지 설계를 통해 높은 전류를 효과적으로 공급하고 가장 낮은 열 임피던스로 모듈 냉각을 용이하게 할 수 있습니다. 많은 SM 칩 장치는 외부 표면의 대부분 부분에 접지된 금속 실드를 가지고 있습니다. 이는 냉각에 기여할 뿐만 아니라 고주파 기생 전류 잡음이 장치 외부로 퍼지는 것을 방지합니다. 수직 전력 전송 모드로 PDN 손실을 95% 줄일 수 있습니다. 대규모 클러스터 프로세서 어레이의 경우 기존 수평 전력 전송 모드를 채택하는 것은 거의 불가능합니다. 클러스터 프로세서 전원 공급 장치에 가장 적합한 솔루션은 VPD(수직 전력 전송)입니다. VPD에서 현재 승수는 마더보드 반대편의 프로세서 바로 아래에 있습니다. 마더보드를 통과하는 전류의 거리를 단축함으로써 PDN 손실이 크게 줄어듭니다. VPD에는 이 기능을 달성하기 위해 두 가지 주요 기능이 필요합니다. 
수직 전력 전송 방식 GTM 전력 전송 성능을 극대화하기 위해 전류 승수를 프로세서 아래에 배치합니다. 수직 전력 전송(VPD) 솔루션은 또한 더 높은 I/O 라우팅, 온보드 메모리 또는 더 조밀한 프로세서 클러스터를 포함한 솔루션을 위해 설계되어 주변 장치 애플리케이션의 수를 크게 줄입니다. 첫째, 수직 전원 공급 장치(VPD)는 시스템의 나머지 부분에서 UHF 전류(> 10MHz)를 분리하는 데 필요한 많은 고주파 커패시터를 포함하는 프로세서 바로 아래 영역에 있어야 합니다. 둘째, 최대 효율을 달성하려면 VPD 솔루션의 현재 출력 위치 및 스타일이 프로세서의 현재 입력 위치 및 스타일 미러와 일치해야 실제 고전류 "수직" 전원 공급 장치를 실현할 수 있습니다. 이러한 기능을 실현하기 위해 VICOR VPD 솔루션은 3개의 레이어로 구성된 통합 모듈입니다. 하위 레이어는 기어박스이고 중간 레이어는 VTM 전류 곱셈기 어레이이며 상위 레이어는 PRM 전압 조정기입니다. 이러한 3개의 레이어는 완전한 VPD를 구성합니다. DCM이라고 하는 솔루션입니다. Gearbox는 두 가지 기능을 수행합니다. 하나는 고주파 디커플링 커패시터를 포함하는 것이고, 다른 하나는 VTM에서 전류를 재분배하여 위 프로세서의 이미지와 일치하는 모드를 형성하는 것입니다. VTM 어레이의 크기는 프로세서의 입력 전류 요구 사항에 따라 달라지며 PRM의 크기는 총 전력 수요에 따라 달라집니다. GPU 또는 ASIC에 여러 전력 레일이 필요한 경우 VTM 레이어와 PRM 레이어는 각각 독립적인 PRM 및 VTM을 사용하여 실현할 수 있으며 해당 크기는 각 특정 레일의 전류 및 전압 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 
Vicor DCM 고급 패키지로 구현된 ASIC 클러스터용 VPD 솔루션을 로드하는 완전한 48V입니다. PRM, VTM 및 모듈의 기어박스 레이어는 전압 안정화, 전류 증폭, 디커플링 커패시턴스 및 핀-핀 패키지 매칭을 제공합니다. Vicor FPA 아키텍처, ZVS 및 ZCS 제어 시스템, 고주파수 주머니 전류 곱셈기 토폴로지 및 SM 칩 패키징 기술은 VPD를 개선하기 위한 모든 요소를 제공합니다. 저소음 및 클러스터 전력 전송 문제를 해결하고 높은 효율성과 강력한 열 적응성을 통해 냉각 및 열 관리의 기계 설계를 단순화합니다. VPD 솔루션을 사용하면 프로세서는 클러스터를 통해 고속 및 대용량 데이터를 분석하여 훈련 모델을 개선하고 기계 학습을 훨씬 더 높은 수준으로 향상시켜 고성능 AI 시스템의 진정한 촉진자가 될 수 있습니다. 고성능 컴퓨팅 성능을 얻는 더 나은 방법 AI와 머신러닝은 초기 성장 단계에 있으며, 이 열차는 수년이 지나면서만 가속화될 것입니다. 이를 가속화하려면 더 복잡한 데이터를 더 빠르게 처리하는 솔루션이 필요합니다. AI ASIC 프로세서를 기반으로 하는 차세대 슈퍼컴퓨터는 기존 슈퍼컴퓨터보다 더 많은 전력을 필요로 합니다. 새롭고 혁신적인 전력 전송 방식은 AI가 약속을 실현할 수 있는 유일한 방법입니다. 증가하는 고전류 수요를 충족하려면 전력 시스템 아키텍처, 토폴로지, 제어 시스템 및 패키징이 함께 작동해야 합니다. 전류 승수를 사용하는 수직 전원 공급 장치 방식이 선호되는 솔루션입니다. 이는 고성능 컴퓨팅에 대한 오늘날의 요구를 충족할 수 있고 향후 요구 사항에 맞춰 쉽게 확장할 수 있는 검증되고 성숙한 솔루션입니다. 컴팩트한 구조와 고효율을 가지며, PDN의 전력 손실을 50% 이상 줄일 수 있습니다.
PRM 및 VTM은 FPA의 필수적인 부분입니다. PRM은 시스템 입력 전압 범위 및 전력 요구 사항에 따라 선택됩니다. VTM은 출력 전압 범위 및 전류 요구 사항에 따라 선택됩니다. PRM은 시스템의 편리한 위치에 설치할 수 있습니다. VTM은 프로세서 코어에 최대한 가깝게 설치해야 합니다. PRM과 VTM은 함께 FPA의 기능 모듈을 구성합니다. 하나는 전압 안정화에 특별히 사용되고 다른 하나는 전압 변환 및 전류 증폭에 특별히 사용됩니다. SM 칩 패키지로 소음 감소 및 방열 향상 고성능 전압 조정기를 구현하는 데 사용되는 토폴로지와 아키텍처도 중요하지만 패키징 기술도 마찬가지로 중요합니다. Vicor SM-ChiP 패키지는 모든 수동 장치, 자기 장치, MOSFET 및 컨트롤러를 하나의 모듈에 통합합니다. 또한 패키지 설계를 통해 높은 전류를 효과적으로 공급하고 가장 낮은 열 임피던스로 모듈 냉각을 용이하게 할 수 있습니다. 많은 SM 칩 장치는 외부 표면의 대부분 부분에 접지된 금속 실드를 가지고 있습니다. 이는 냉각에 기여할 뿐만 아니라 고주파 기생 전류 잡음이 장치 외부로 퍼지는 것을 방지합니다. 수직 전력 전송 모드로 PDN 손실을 95% 줄일 수 있습니다. 대규모 클러스터 프로세서 어레이의 경우 기존 수평 전력 전송 모드를 채택하는 것은 거의 불가능합니다. 클러스터 프로세서 전원 공급 장치에 가장 적합한 솔루션은 VPD(수직 전력 전송)입니다. VPD에서 현재 승수는 마더보드 반대편의 프로세서 바로 아래에 있습니다. 마더보드를 통과하는 전류의 거리를 단축함으로써 PDN 손실이 크게 줄어듭니다. VPD에는 이 기능을 달성하기 위해 두 가지 주요 기능이 필요합니다. 수직 전력 전송 방식 GTM 전력 전송 성능을 극대화하기 위해 전류 승수를 프로세서 아래에 배치합니다. 수직 전력 전송(VPD) 솔루션은 또한 더 높은 I/O 라우팅, 온보드 메모리 또는 더 조밀한 프로세서 클러스터를 포함한 솔루션을 위해 설계되어 주변 장치 애플리케이션의 수를 크게 줄입니다. 첫째, 수직 전원 공급 장치(VPD)는 시스템의 나머지 부분에서 UHF 전류(> 10MHz)를 분리하는 데 필요한 많은 고주파 커패시터를 포함하는 프로세서 바로 아래 영역에 있어야 합니다. 둘째, 최대 효율을 달성하려면 VPD 솔루션의 현재 출력 위치 및 스타일이 프로세서의 현재 입력 위치 및 스타일 미러와 일치해야 실제 고전류 "수직" 전원 공급 장치를 실현할 수 있습니다. 이러한 기능을 실현하기 위해 VICOR VPD 솔루션은 3개의 레이어로 구성된 통합 모듈입니다. 하위 레이어는 기어박스이고 중간 레이어는 VTM 전류 곱셈기 어레이이며 상위 레이어는 PRM 전압 조정기입니다. 이러한 3개의 레이어는 완전한 VPD를 구성합니다. DCM이라고 하는 솔루션입니다. Gearbox는 두 가지 기능을 수행합니다. 하나는 고주파 디커플링 커패시터를 포함하는 것이고, 다른 하나는 VTM에서 전류를 재분배하여 위 프로세서의 이미지와 일치하는 모드를 형성하는 것입니다. VTM 어레이의 크기는 프로세서의 입력 전류 요구 사항에 따라 달라지며 PRM의 크기는 총 전력 수요에 따라 달라집니다. GPU 또는 ASIC에 여러 전력 레일이 필요한 경우 VTM 레이어와 PRM 레이어는 각각 독립적인 PRM 및 VTM을 사용하여 실현할 수 있으며 해당 크기는 각 특정 레일의 전류 및 전압 요구 사항을 충족할 수 있습니다. Vicor DCM 고급 패키지로 구현된 ASIC 클러스터용 VPD 솔루션을 로드하는 완전한 48V입니다. PRM, VTM 및 모듈의 기어박스 레이어는 전압 안정화, 전류 증폭, 디커플링 커패시턴스 및 핀-핀 패키지 매칭을 제공합니다. Vicor FPA 아키텍처, ZVS 및 ZCS 제어 시스템, 고주파수 주머니 전류 곱셈기 토폴로지 및 SM 칩 패키징 기술은 VPD를 개선하기 위한 모든 요소를 제공합니다. 저소음 및 클러스터 전력 전송 문제를 해결하고 높은 효율성과 강력한 열 적응성을 통해 냉각 및 열 관리의 기계 설계를 단순화합니다. VPD 솔루션을 사용하면 프로세서는 클러스터를 통해 고속 및 대용량 데이터를 분석하여 훈련 모델을 개선하고 기계 학습을 훨씬 더 높은 수준으로 향상시켜 고성능 AI 시스템의 진정한 촉진자가 될 수 있습니다. 고성능 컴퓨팅 성능을 얻는 더 나은 방법 AI와 머신러닝은 초기 성장 단계에 있으며, 이 열차는 수년이 지나면서만 가속화될 것입니다. 이를 가속화하려면 더 복잡한 데이터를 더 빠르게 처리하는 솔루션이 필요합니다. AI ASIC 프로세서를 기반으로 하는 차세대 슈퍼컴퓨터는 기존 슈퍼컴퓨터보다 더 많은 전력을 필요로 합니다. 새롭고 혁신적인 전력 전송 방식은 AI가 약속을 실현할 수 있는 유일한 방법입니다. 증가하는 고전류 수요를 충족하려면 전력 시스템 아키텍처, 토폴로지, 제어 시스템 및 패키징이 함께 작동해야 합니다. 전류 승수를 사용하는 수직 전원 공급 장치 방식이 선호되는 솔루션입니다. 이는 고성능 컴퓨팅에 대한 오늘날의 요구를 충족할 수 있고 향후 요구 사항에 맞춰 쉽게 확장할 수 있는 검증되고 성숙한 솔루션입니다. 컴팩트한 구조와 고효율을 가지며, PDN의 전력 손실을 50% 이상 줄일 수 있습니다.