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）——誰要是能夠集齊這三張技術(shù)“拼圖”，似乎就可以在AI時代無往而不利了。但是，在諸多設(shè)計創(chuàng)想落地之時，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，還有一個掣肘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)的計算和處理資源會根據(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，數(shù)據(jù)中心總耗電量在2017年就已達(dá)到1200-1300千瓦時——這個數(shù)字超過了三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量之和。預(yù)計到2025年，這個數(shù)字將會攀升至3842.2億千瓦時。

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

AI系統(tǒng)的電源管理挑戰(zhàn)

削減AI系統(tǒng)能耗的思路無外乎有兩個：一個是降低AI系統(tǒng)核心處理器的能耗，另一個則是從優(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。

對于前者來講，無論是GPU、CPU、FPGA，還是異構(gòu)計算架構(gòu)，對低功耗的追求從來沒有止步，但是由于AI對計算資源的消耗實(shí)在是驚人，加之摩爾定律已經(jīng)越來越接近“天花板”，因此伴隨著總體計算密度和強(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，找到一個更優(yōu)的解決方案，就顯得尤為重要。而所謂“更優(yōu)”，具體來講，就是要應(yīng)對以下幾個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越高。

第二，所有計算性能的提升，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越低。在這樣的趨勢下，保持處理器供電電壓穩(wěn)定性的難度也會隨之增大，這就對電源電壓調(diào)節(jié)器的精度提出了更高的要求。

我們將上述的設(shè)計挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)化為對一個理想的AI數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)的設(shè)計要求，就不難得出以下幾個關(guān)鍵詞：

高效率

通過一系列先進(jìn)的電源管理功能，來實(shí)現(xiàn)更高的效率，這是首要的目標(biāo)，因?yàn)槊鎸薮蟮哪芎模拭刻岣?%，總體節(jié)能成效都是顯著的。

小體積

無論是通過提高電源管理芯片自身的集成度簡化外圍電路，還是通過效率的提升簡化散熱系統(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處理器都會采用更小的特征尺寸、更低的工作電壓，因此對于外部電路電流、電壓、溫度等擾動也更為敏感，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計算架構(gòu)的多樣化以及應(yīng)用場景的多樣化，用一套可裁剪、方便用戶定制的電源解決方案來滿足不同輸出電流、不同規(guī)格尺寸的設(shè)計要求，也是一個重要的考量要素。

Maxim Integrated（以下簡稱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IC MAX20790，整體方案支持60A至800A或更大功率的系統(tǒng)設(shè)計，同時能夠提供高于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%的同時仍然可以提供極佳的瞬態(tài)性能。

可以說，這是一款同時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邊緣計算以及數(shù)據(jù)中心云計算等系統(tǒng)的供電設(shè)計。

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IC，內(nèi)置電流和溫度傳感器，動態(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

我們先來看看MAX16602，它具有四個突出的優(yōu)勢特性。

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，只需要一個很小的外部電感，采用QFM封裝（7mm × 7mm），確保了整個方案的小尺寸。

二是采用了一系列高級電源管理功能。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PMBus進(jìn)行遙測，實(shí)現(xiàn)了輸入電源監(jiān)測。具有數(shù)字可編程配置，輸入電壓、電流和功率監(jiān)控，以及功率級溫度監(jiān)控和報告功能。

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)計開發(fā)提供了極大的靈活性。該控制器可支持兩個獨(dú)立的電源軌：一個電源軌為8個PWM輸出，通過PWM并聯(lián)，可控制多達(dá)16個相位；另一個電源軌為單相輸出，可支持1個PWM。也就是說在設(shè)計開發(fā)時，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，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)測和故障報告：MAX20790通過控制器IC的PMBus提供準(zhǔn)確溫度和每相電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及故障報告，并可以由Fault_ID指示故障類型。

高級自我保護(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，進(jìn)而構(gòu)成一款滿足設(shè)計要求的完整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MAX20790單芯片集成方案消除了FET和驅(qū)動器之間的寄生電阻和寄生電感，也對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)勢就很明顯；而且與競爭方案相比，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爭方案相比，Maxim的薄型耦合電感設(shè)計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，也可以對熱優(yōu)先級與正交電流平衡進(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評估套件是一個不可或缺的工具。

MAX16602CL8評估套件是一塊完全裝配并經(jīng)過測試的電路板，板上包括一顆MAX16602和八顆MAX20790，以及評估該芯片組所需的其他元器件，可產(chǎn)生8路PWM控制信號或相信號。這些元器件構(gòu)成了一個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)，整個系統(tǒng)留給AI電源設(shè)計的空間越來越有限，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在必行。

Maxim的MAX16602和MAX20790電源芯片組就是這一趨勢推動下的成功之作，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)用場景下不同設(shè)計規(guī)格的要求。

現(xiàn)在，來貿(mào)澤電子，你就可以便捷地獲取到MAX16602CL8評估套件，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AI系統(tǒng)電源管理挑戰(zhàn)，來看看Maxim的“芯”思路！

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