現(xiàn)代社會對計算能力的需求日益增長。人工智能 (AI) 的飛速發(fā)展推動了數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，包括數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、處理和存儲。AI已滲透到現(xiàn)代生活的方方面面，從汽車到購物方式無所不在。在工業(yè)領(lǐng)域，邊緣計算改變了制造業(yè)，創(chuàng)造了一個能夠快速響應(yīng)不斷變化的需求、更加靈活的工廠空間。所有這些應(yīng)用都需要更強(qiáng)大的計算能力，因此需要性能更強(qiáng)的高性能處理器。

(圖源：Thi/stock.adobe.com;由AI生成，經(jīng)貿(mào)澤修改)

現(xiàn)代處理器為應(yīng)對這一需求發(fā)生了巨大變革。現(xiàn)代處理器現(xiàn)已采用3納米級工藝節(jié)點，雖然設(shè)計電壓要求已從5V降至0.8V，但較小的工藝節(jié)點對電壓精度提出了更高要求，以確保最佳性能。同時，工藝節(jié)點的縮小使晶體管密度大幅提升，進(jìn)而導(dǎo)致熱密度增加。這使得電源效率對于降低功耗和確保可靠運行變得更加重要。

現(xiàn)代處理器的更高運行速度需要更快的響應(yīng)時間。雖然這種速度使它們能夠快速處理新任務(wù)，但也要求電源必須具備相似的響應(yīng)速度。如果電源無法同步響應(yīng)，關(guān)鍵時刻的電壓波動可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至硬件損壞。

除了這些要求外，效率也變得至關(guān)重要。隨著全球能源價格上漲，耗電量巨大的人工智能處理器進(jìn)一步推動了數(shù)據(jù)中心的能源需求。電源效率低下導(dǎo)致熱負(fù)荷增加，必須進(jìn)行有效管理。這些因素的結(jié)合改變了能源供應(yīng)方式。

在本文中，我們將探討工程師在應(yīng)對現(xiàn)代電源交付挑戰(zhàn)時面臨的難題，并分析NXP的電源管理集成電路 (PMIC) 如何為下一代處理器提供可擴(kuò)展、高效且可靠的解決方案。

長期存在的電源問題

傳統(tǒng)的印刷電路板 (PCB) 供電方法已不適用于現(xiàn)代計算設(shè)備。早期微處理器對電源的需求遠(yuǎn)沒有那么復(fù)雜，因為單核處理器僅需一個電壓等級，即所謂的單軌電源。該電源從市電轉(zhuǎn)換為直流電時采用相對較高的電壓(最初為5V)，但隨著處理器復(fù)雜度提升和節(jié)點尺寸縮小，電壓也隨之降低。

然而，現(xiàn)代處理器中的多個內(nèi)核運行在不同的電壓和時鐘頻率下。因此，這些多核處理器要求系統(tǒng)能為每個功能提供合適的電壓——這就是所謂的多軌電源管理。每條電源軌為處理器內(nèi)的不同區(qū)塊供電，包括內(nèi)存、內(nèi)核和I/O功能。多軌電源系統(tǒng)旨在根據(jù)需求為每個內(nèi)核提供特定的電壓和電流。

處理器供電方式的改變反映了我們與能源關(guān)系的全新演進(jìn)?，F(xiàn)在鼓勵大家利用可再生能源創(chuàng)造更多能量，以應(yīng)對氣候變化。運營商正大量投資于利用太陽能電池等技術(shù)降低能源消耗成本。在此方法中，電能存儲于由大量電池組成的儲能系統(tǒng) (ESS) 中。與傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電不同，ESS的輸出為直流電。因此，需要能夠從直流電源提供合適電壓的電源管理系統(tǒng)。

與此同時，人們對采用新技術(shù)提升電源效率的興趣也日益濃厚。受汽車行業(yè)向48V電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型影響，這一新型電源方案為提升效率創(chuàng)造了機(jī)遇。電源傳輸網(wǎng)絡(luò)中功率損耗的主要來源是電阻傳導(dǎo)損耗，這會使效率與電流的平方成反比下降(P = I2R~1/效率)。提高電壓并降低電流可在提供相同功率的同時顯著提升系統(tǒng)整體效率。

電壓每降一級都會影響效率。將電壓從48V轉(zhuǎn)換為5V，然后再轉(zhuǎn)換為更低的電壓，都會在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生損耗。多軌電源可根據(jù)處理器內(nèi)核的需要提供一系列不同的電壓，而無需多次轉(zhuǎn)換，這將提升整體效率并減少與固定電壓系統(tǒng)相關(guān)的損耗。

針對挑戰(zhàn)性應(yīng)用的電源解決方案

除了高性能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)外，嵌入式系統(tǒng)和邊緣AI的興起使得更強(qiáng)大的處理器從數(shù)據(jù)中心逐漸走向日常應(yīng)用場景。因此，支持這些系統(tǒng)的電源必須符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。在汽車領(lǐng)域，配備高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的自動駕駛車輛的普及，突顯了電子系統(tǒng)安全性的重要性，而汽車安全完整性等級 (ASIL) 合規(guī)性則確保了道路使用者的安全。通過分類安全關(guān)鍵場景中故障帶來的危險，ASIL合規(guī)性使設(shè)計師能夠為嚴(yán)苛應(yīng)用選擇合適的組件。

面對這些性能與安全挑戰(zhàn)，設(shè)計人員需要一個能夠滿足現(xiàn)代微處理器復(fù)雜需求的單一解決方案。NXP Semiconductors的電源管理集成電路 (PMIC) 通過優(yōu)化電源效率并簡化應(yīng)用處理器的供電序列，成為了為復(fù)雜計算設(shè)備供電的專用解決方案。

NXP的PMIC將多軌電源集成到單一組件中，簡化了PCB設(shè)計并通過減少所需組件數(shù)量緩解供電難題。PMIC支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS)，能夠按需供電，從而減少能源浪費并提升效率。此外，效率的提升還降低了發(fā)熱量，有助于減少熱管理相關(guān)的成本和復(fù)雜性。

NXP PMIC符合ASIL-B和ASIL-D要求，堪稱下一代汽車設(shè)計的理想選擇。為滿足汽車、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的長期需求，NXP的產(chǎn)品長期供貨計劃保證產(chǎn)品至少供貨10到15年，具體取決于器件類型。這確保了設(shè)計連續(xù)性和供應(yīng)鏈穩(wěn)定性。

電源管理的未來

隨著計算系統(tǒng)不斷演進(jìn)，節(jié)點尺寸的縮小和功能的增強(qiáng)，為供電系統(tǒng)提出了新的要求。人工智能系統(tǒng)在日常應(yīng)用中的普及以及汽車和工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)革新，意味著傳統(tǒng)電源架構(gòu)已無法滿足需求。

隨著PMIC的作用日益重要，NXP提供了一系列解決方案，可提供精確的多軌可擴(kuò)展電源，并具有內(nèi)置的安全合規(guī)性。借助NXP的PF81、FS65和PF0100 PMIC，設(shè)計人員能降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提高效率，并為未來的高性能計算設(shè)備提供更可持續(xù)的產(chǎn)品。

作者

David Pike以其熱情和普遍的極客精神在互連行業(yè)廣為人知。他的網(wǎng)名是Connector Geek。