AI时代，电源产品迎来挑战

在人工智能（AI）快速发展的当下，电源产品的重要性愈发凸显。随着AI、GPU和DPU等高性能计算产品对功率密度的需求不断攀升，这一需求已远远超出了传统服务器CPU的范畴。以英伟达的OAM卡为例，其体积虽仅相当于半张A4纸，但其功率却能达到惊人的700W甚至更高。这一指数级的功率密度增长给Power IC带来了空前的挑战，突显出在高性能计算领域中，电源产品的关键角色和挑战。
 
电源稳定性：AI芯片性能的“基石”
 
为何在AI芯片中，电源产品会显得尤为关键？
 
在近日的媒体交流会上，英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部应用管理经理董唯一解释到：首先，不论是CPU还是AI芯片，它们的性能发挥极大程度上依赖于电源。通常情况下，人们更多关注主芯片，而忽略了电源的重要性。然而，电源就像是为芯片输送养分的基础设施。没有稳定的电源，CPU和AI芯片就无法发挥其强大的性能。以服务器数据中心为例，软件崩溃或系统宕机通常被外界因素所注意，但这些问题往往也与电源问题有关，这正说明了电源设计在CPU系统中的重要性。
 
此外，AI芯片由于其独特性，对供电的动态响应极为敏感。如果电源波动过大，会对芯片造成损耗，影响其性能发挥。因此，尽管主芯片是关注的焦点，电源的稳定性同样关键，没有电源，系统也无法启动。
 
董唯一还指出，在某客户GPU板上，DC-DC转换器的使用量已超过60颗，是服务器CPU板的1.5倍，这通常是集成了控制器和MOSFET的DC-DC POL。而且AI应用的电源应用周围还包括诸多器件，如传统的数字控制器和Power Stage，这些产品不仅占板面积很大，并且整个对于效率的影响，对于主芯片性能的影响都是极大的。如果AI芯片想发挥出最高的功效，周围的电源器件也很关键。
 
为了应对AI应用的高功率密度需求，作为电源领域的龙头半导体厂商，英飞凌正在从四个方面不断革新进步：
 
1）技术代际演进：未来，英飞凌的电源产品将采用更先进的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术，英飞凌的PSU产品线已展示出这方面的成果。
 
2）封装工艺的革新：英飞凌利用其先进的封装工艺，使得最新一代产品体积更小，功率密度更大。同时，集成电感的产品开发进一步缩小了芯片面积，为客户提供更多的设计空间。
 
3）系统级架构优化：英飞凌不仅考虑从12V到GPU的电源架构，还在开发48V解决方案，并致力于垂直供电产品的开发，以提升整个AI系统和数据中心的效能。
 
4）电源产品之外的支持：除了电源产品，英飞凌还提供电源保护和DC-DC转换器等，支持数据中心电源的数字化和低碳化转型。
 
面对市场挑战，英飞凌采取了差异化的产品策略。在集成的POL部分，在小电流产品，即如12A、20A上采用单晶圆技术，以达到成本效益和性能的最佳平衡，因为单晶圆的芯片成本一定比多晶圆的低。对于25A和40A产品，英飞凌继续采用传统工艺，以追求更高效和性能。英飞凌的快速恒定导通时间（COT）技术的应用将简化客户的设计流程，提升使用便利性。
 
除了产品策略，英飞凌还制定了生产策略，包括利用自家晶圆厂和多个后道晶圆厂来保障产品供应，以应对市场波动。
 
英飞凌推出针对AI市场的高效稳压器
 
近日，英飞凌推出了包括12A和20A的TDA388xx系列产品，由于采用了英飞凌自己的Fast COT引擎，因此，非常适合于服务器、AI、数据通信、电信和存储市场。TDA388xx系列产品共有四款降压稳压器，分别是TDA38812、TDA38813、TDA38825 和 TDA38826。
 
这款产品具备五个显著特点：1）可调频率：产品支持频率变换，可在600KHz至1MHz范围内自由调节。2）快速软启动：具备极短的软启动时间，最快可达1毫秒。3）电压模式操作：采用了电压模式控制。4）电源状态指示：配备了电源良好的输出状态指示信号。5）单晶圆设计：产品的核心是一个单晶圆，这种设计使得产品在提升性价比方面具有显著优势。
 
具体来看，TDA388xx系列的每款产品均具有独一无二的内部补偿功能，这不仅提高了易用性，还减少了对外部半导体组件的需求。该系列产品采用了适合各种应用的通用性设计，并提供可供选择的开关频率和软启动功能。由于具备可编程的电流限制，这些稳压器可以实现精准的控制，而且支持固定频率连续导通模式（FCCM）和不连续导通模式（DCM）。此外，TDA388xx系列稳压器还可通过外部基准输入实现电压追踪。这一灵活性对于满足不同的功率系统要求至关重要。上述特性共同提升了该稳压器产品系列的适应性和效率。
 
  
            TDA388xx系列同步降压稳压器
 
TDA388xx产品系列的关键特性之一是其内置多种保护功能，包括预偏压启动和热补偿电流限制以及过压保护（OVP）和欠压保护（UVP）等，即使在故障情况下也能确保系统安全。并且，为了提高安全性，英飞凌还在TDA388xx产品系列中加入了热关断功能。该产品系列采用符合ROHS标准的QFN-21封装，能够在-40°C至125°C 的温度范围内有效工作。凭借这些特性，TDA38825/26/12/13特别适用于要求严苛的功率系统环境。
 
董唯一指出，英飞凌做这一系列产品的动因有两个：第一，近两年的全球芯片短缺对供应链构成了巨大挑战。由于市场上各家公司的封装技术各异，客户一旦面临某家产品的缺货，便可能遭遇严重的供应链风险。基于这一现实，英飞凌致力于降低客户的这种风险。我们推出的产品系列在市场上具有较好的通用性，使客户在面临缺货或供应链紧张时有更多的选择余地。
 
其次，英飞凌对整个系统有着深入的理解。在为主芯片供电的数字控制器和Power Stage方面，英飞凌的产品市场占有率极高，这反映了我们对系统的深刻洞察。我们研发的POL产品也是为了更好地适应整个系统的需求，旨在为客户提供更稳定、更可靠的系统级解决方案。正是基于这些理由，我们推出了12A和20A的POL产品。
 
董唯一进一步指出，TDA388xx新产品系列有望在市场中占据一定的市场地位，原因在于：第一，高性能：产品采用了FAST COT模式，极大地便利了客户在使用和调试过程中的操作；第二，灵活的输入输出范围：具有宽泛的输入范围（2.7V至16V）和输出范围（0.6V至5.5V），能够满足包括CPU、GPU和通信客户ASIC主芯片在内的各种需求。
 
该产品的优势表现在，第一，英飞凌的产品采用业界通用的封装技术，使得他们的BOM能够与其他厂商的产品兼容。第二，英飞凌的质量和可靠性在业界都是被广泛认可和有口皆碑的，12A和20A的POL产品当然也不例外。第三，英飞凌可以搭配着数字控制器以及Power Stage给客户一个系统级的解决方案，不仅仅可以使得客户在基于对系统的理解上去设计，更有效的将客户整个系统的性能进行提升。另外，英飞凌有强大的供应链体系，在面对缺货或者库存，半导体周期性的变化中，他们可以有效的进行调整和面对客户提出的挑战。
 
结语
 
随着AI技术的不断发展，AI芯片的功耗和性能还将进一步提高。这对电源系统提出了更高的要求。电源设计需要不断创新，才能满足AI芯片对电源系统的特殊要求。