提到人工智能（AI），大家都知道它的“ABC”三要素——即算法（Algorithm）、數(shù)據(jù)（Big data）和算力（Computing）——誰(shuí)要是能夠集齊這三張技術(shù)“拼圖”，似乎就可以在AI時(shí)代無(wú)往而不利了。但是，在諸多設(shè)計(jì)創(chuàng)想落地之時(shí)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，還有一個(gè)掣肘AI應(yīng)用的第四要素不容忽視，那就是能耗。

按照主流的體系布局，AI系統(tǒng)的計(jì)算和處理資源會(huì)根據(jù)需要部署在云端和邊緣端。以云端的數(shù)據(jù)中心為例，作為AI體系的“大腦”，承擔(dān)了海量數(shù)據(jù)的處理工作，包括基于大數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練以及需要較高算力支持的復(fù)雜推理，與之相對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)中心的能耗也相當(dāng)可觀。

有數(shù)據(jù)顯示，到2025年數(shù)據(jù)中心能耗將占到全球能耗的33%，位居能耗占比的首席。而在中國(guó)，數(shù)據(jù)中心總耗電量在2017年就已達(dá)到1200-1300千瓦時(shí)——這個(gè)數(shù)字超過(guò)了三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量之和。預(yù)計(jì)到2025年，這個(gè)數(shù)字將會(huì)攀升至3842.2億千瓦時(shí)。

如果對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗進(jìn)行更細(xì)致的分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)直接用于數(shù)據(jù)處理的IT設(shè)備能耗會(huì)占到總能耗的50%以上。因此，如何將這部分能耗有效地控制和管理起來(lái)，也就成了應(yīng)對(duì)AI系統(tǒng)能耗挑戰(zhàn)的第一要?jiǎng)?wù)。

AI系統(tǒng)的電源管理挑戰(zhàn)

削減AI系統(tǒng)能耗的思路無(wú)外乎有兩個(gè)：一個(gè)是降低AI系統(tǒng)核心處理器的能耗，另一個(gè)則是從優(yōu)化電源管理系統(tǒng)入手，提高AI核心處理器電源管理的效率。

對(duì)于前者來(lái)講，無(wú)論是GPU、CPU、FPGA，還是異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，對(duì)低功耗的追求從來(lái)沒(méi)有止步，但是由于AI對(duì)計(jì)算資源的消耗實(shí)在是驚人，加之摩爾定律已經(jīng)越來(lái)越接近“天花板”，因此伴隨著總體計(jì)算密度和強(qiáng)度的增加，在這方面可騰挪的空間越發(fā)局促。

因此，從電源管理入手，找到一個(gè)更優(yōu)的解決方案，就顯得尤為重要。而所謂“更優(yōu)”，具體來(lái)講，就是要應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)AI系統(tǒng)中常見的電源管理挑戰(zhàn)：

第一，為了支持高性能、高密度的計(jì)算，AI機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用要使用更多的CPU、GPU和定制ASIC等處理器，相應(yīng)的所需功率和電流水平也越來(lái)越高。

第二，所有計(jì)算性能的提升，都是要在相同的機(jī)架空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，功率密度也就相應(yīng)地增加了，因此AI電源管理必須具有更高的效率，以及更佳的熱性能。

第三，AI系統(tǒng)的功率更高、電流也更高，而處理器所需的電壓卻越來(lái)越低。在這樣的趨勢(shì)下，保持處理器供電電壓穩(wěn)定性的難度也會(huì)隨之增大，這就對(duì)電源電壓調(diào)節(jié)器的精度提出了更高的要求。

我們將上述的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)化為對(duì)一個(gè)理想的AI數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，就不難得出以下幾個(gè)關(guān)鍵詞：

高效率

通過(guò)一系列先進(jìn)的電源管理功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率，這是首要的目標(biāo)，因?yàn)槊鎸?duì)巨大的能耗，效率每提高1%，總體節(jié)能成效都是顯著的。

小體積

無(wú)論是通過(guò)提高電源管理芯片自身的集成度簡(jiǎn)化外圍電路，還是通過(guò)效率的提升簡(jiǎn)化散熱系統(tǒng)，都有助于電源系統(tǒng)空間的優(yōu)化。

高可靠性

為了提升性能，新一代的AI處理器都會(huì)采用更小的特征尺寸、更低的工作電壓，因此對(duì)于外部電路電流、電壓、溫度等擾動(dòng)也更為敏感，這就使其需要更為完善的保護(hù)功能，以確保系統(tǒng)的可靠性。

靈活性

考慮到AI計(jì)算架構(gòu)的多樣化以及應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，用一套可裁剪、方便用戶定制的電源解決方案來(lái)滿足不同輸出電流、不同規(guī)格尺寸的設(shè)計(jì)要求，也是一個(gè)重要的考量要素。

Maxim Integrated（以下簡(jiǎn)稱Maxim）新近推出的AI系統(tǒng)多相供電電源芯片組，就是按照這樣的設(shè)計(jì)要求打造的。該芯片組包括兩顆芯片：用于AI處理器核供電的雙輸出穩(wěn)壓電源MAX16602和智能電源級(jí)IC MAX20790，整體方案支持60A至800A或更大功率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠提供高于95%的工作效率（在1.8V輸出電壓、200A負(fù)載條件下），此外在輸出電容減小40%的同時(shí)仍然可以提供極佳的瞬態(tài)性能。

可以說(shuō)，這是一款同時(shí)具有高效率和小尺寸特性，且各方面表現(xiàn)十分優(yōu)秀的AI系統(tǒng)電源管理解決方案，適用于AI邊緣計(jì)算以及數(shù)據(jù)中心云計(jì)算等系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)。

圖1：Maxim推出的多相AI電源芯片組

AI電源芯片組解析

下面我們就來(lái)一起觀察一下這款解決方案的技術(shù)細(xì)節(jié)。

圖2展示了由MAX16602和MAX20790構(gòu)成的完整的AI電源管理系統(tǒng)。其中，MAX16602是一款采用耦合電感技術(shù)和智能功率級(jí)的控制器IC；MAX20790則是一款高密度、靈活和可擴(kuò)展的智能功率級(jí)IC，內(nèi)置電流和溫度傳感器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力出色，所需的外圍元器件數(shù)量也很少。

圖2：MAX16602和MAX20790電源芯片組應(yīng)用電路

MAX16602雙輸出穩(wěn)壓器

我們先來(lái)看看MAX16602，它具有四個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)特性。

一是高功率密度和效率。MAX16602在1.8V輸出電壓下，可以實(shí)現(xiàn)95.6%的峰值效率。該器件還集成了1.8V偏置電源，只需要一個(gè)很小的外部電感，采用QFM封裝（7mm × 7mm），確保了整個(gè)方案的小尺寸。

二是采用了一系列高級(jí)電源管理功能。其中包括自主切相，正交電流再均衡（以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)相電流平衡），并且具有低靜態(tài)電流，可提高輕載和待機(jī)效率。

三是通過(guò)PMBus進(jìn)行遙測(cè)，實(shí)現(xiàn)了輸入電源監(jiān)測(cè)。具有數(shù)字可編程配置，輸入電壓、電流和功率監(jiān)控，以及功率級(jí)溫度監(jiān)控和報(bào)告功能。

四是具有比較完善的保護(hù)特性。這些保護(hù)功能包括輸入和偏置電源欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)，以及關(guān)鍵故障指示引腳等。

此外，特別值得一提的是MAX16602還為設(shè)計(jì)開發(fā)提供了極大的靈活性。該控制器可支持兩個(gè)獨(dú)立的電源軌：一個(gè)電源軌為8個(gè)PWM輸出，通過(guò)PWM并聯(lián)，可控制多達(dá)16個(gè)相位；另一個(gè)電源軌為單相輸出，可支持1個(gè)PWM。也就是說(shuō)在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，該IC可支持從2相至16相的擴(kuò)展性，以滿足從60A至800A（或更高）的不同輸出電流的要求。

圖3：MAX16602的系統(tǒng)框圖

MAX20790智能功率級(jí)IC

Maxim這款A(yù)I電源芯片組中的另一顆關(guān)鍵的器件是MAX20790，這是一款功能豐富的智能功率級(jí)IC，與Maxim的控制器（如MAX16602）配合使用，可實(shí)現(xiàn)高密度多相同步降壓轉(zhuǎn)換器功能。

MAX20790的性能優(yōu)勢(shì)包括：

緊湊的外形：高集成的單芯片封裝，占板面積僅有24mm2，還支持用于熱平衡的相電流導(dǎo)引（Current Steering）功能。

峰值效率高達(dá)95.6%：得益于單片集成和先進(jìn)的封裝技術(shù)，MAX20790支持較高的開關(guān)頻率（300kHz至1.3MHz），與傳統(tǒng)方案相比損耗顯著降低。同時(shí)，切相和不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）也可在大范圍負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)效率的優(yōu)化。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)告：MAX20790通過(guò)控制器IC的PMBus提供準(zhǔn)確溫度和每相電流的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及故障報(bào)告，并可以由Fault_ID指示故障類型。

高級(jí)自我保護(hù)功能：包括加強(qiáng)的UVLO保護(hù)、VX短路和超溫停機(jī)、快速過(guò)電流保護(hù)等。

圖4：MAX20790的系統(tǒng)框圖

（圖源：Maxim）

完整的AI電源方案

不難看出，MAX16602和MAX20790都是經(jīng)過(guò)了專門優(yōu)化的電源管理器件，兩者協(xié)同工作，更是能夠充分發(fā)揮出各自的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而構(gòu)成一款滿足設(shè)計(jì)要求的完整AI電源系統(tǒng)解決方案。

首先，得益于Maixm的耦合電感專利技術(shù)，MAX16602能夠?qū)㈤_關(guān)頻率降低50%，從而降低功率損耗，實(shí)現(xiàn)更高的效率。同時(shí)MAX20790單芯片集成方案消除了FET和驅(qū)動(dòng)器之間的寄生電阻和寄生電感，也對(duì)效率的提升很有幫助。

其次，MAX20790采用單片集成和先進(jìn)的90nm封裝技術(shù)，自身的小型化優(yōu)勢(shì)就很明顯；而且與競(jìng)爭(zhēng)方案相比，芯片組輸出電容的尺寸減小了40%，進(jìn)一步有效降低了總體方案尺寸；此外，與采用分立式電感的競(jìng)爭(zhēng)方案相比，Maxim的薄型耦合電感設(shè)計(jì)允許每相支持較高的飽和電流，有助于減少電源的工作相數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)體積并降低總體成本。多因素綜合影響，使得采用MAX16602和MAX20790芯片組實(shí)現(xiàn)的8相PWM方案的電路板布局寬度僅有50mm，而每相的峰值額定電流可高達(dá)88A。

再有，MAX16602可提供內(nèi)部補(bǔ)償和先進(jìn)的控制算法，包括自主切相，以及可以對(duì)每一路PWM進(jìn)行精細(xì)地調(diào)整、實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)相電流平衡的正交電流再均衡技術(shù)；而MAX20790的相電流導(dǎo)引功能，也可以對(duì)熱優(yōu)先級(jí)與正交電流平衡進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)更佳的熱性能。

總之，在上述各個(gè)特性的共同作用下，基于MAX16602和MAX20790的電源芯片組，可以打造出高密度、高效率、小尺寸、可裁剪的AI電源解決方案。

方案的快速評(píng)估

如果你希望快速上手，將MAX16602和MAX20790電源芯片組應(yīng)用在AI系統(tǒng)中，解決AI應(yīng)用中的電源管理“短板”，MAX16602CL8評(píng)估套件是一個(gè)不可或缺的工具。

MAX16602CL8評(píng)估套件是一塊完全裝配并經(jīng)過(guò)測(cè)試的電路板，板上包括一顆MAX16602和八顆MAX20790，以及評(píng)估該芯片組所需的其他元器件，可產(chǎn)生8路PWM控制信號(hào)或相信號(hào)。這些元器件構(gòu)成了一個(gè)8相同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以將這款A(yù)I多相供電電源芯片組的特性全面、直觀地呈現(xiàn)在開發(fā)者的面前。

圖5：MAX16602CL8評(píng)估套件

最后總結(jié)一下：伴隨著AI應(yīng)用的部署和落地，高性能、高算力AI系統(tǒng)的電源管理也面臨著新的挑戰(zhàn)，整個(gè)系統(tǒng)留給AI電源設(shè)計(jì)的空間越來(lái)越有限，因此在極其有限的空間內(nèi)如何提高功率密度成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為適應(yīng)AI系統(tǒng)的這一要求，打造全新的電源管理解決方案勢(shì)在必行。

Maxim的MAX16602和MAX20790電源芯片組就是這一趨勢(shì)推動(dòng)下的成功之作，其能夠?yàn)镚PU、FPGA、ASIC和xPU等AI硬件加速器供電，有效提高工作效率、減小方案尺寸，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下不同設(shè)計(jì)規(guī)格的要求。

現(xiàn)在，來(lái)貿(mào)澤電子，你就可以便捷地獲取到MAX16602CL8評(píng)估套件，馬上體驗(yàn)這一創(chuàng)新的電源管理方案如何為你創(chuàng)新的AI應(yīng)用提供有力的支撐。

原文標(biāo)題：應(yīng)對(duì)AI系統(tǒng)電源管理挑戰(zhàn)，來(lái)看看Maxim的“芯”思路！

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