Stromvervielfachung: Optimal für anspruchsvolle Anwendungen

KI-Prozessoren können bis zu Tausende von Ampere aufnehmen, während sie mit Spannungen deutlich unter 1 V betrieben werden. Dieser Strombedarf ist beispiellos und hat das Stromversorgungsnetz (PDN; Power Delivery Network) zu einem erheblichen Systemengpass gemacht.

Warum geraten klassische Architekturen an ihre Grenzen?

Mit jedem Ampere, das durch die Kupfer-Stromversorgungsebenen der Leiterplatte oder des Substrats fließt, steigen die Leitungsverluste und Herausforderungen beim Wärmemanagement. Die Bypass-Kapazität muss erhöht werden, um Transienten zu minimieren. Herkömmliche, auf Spannungsmittelung basierende Architekturen, wie die Intermediate Bus Architecture (IBA) und mehrphasige Buck-/Abwärtsregler, waren bei moderaten Lasten ausreichend, entsprechen jedoch nicht mehr den heutigen Anforderungen von <1 V und kA. Für diese Low-Voltage-/LV- und Hochstromanwendungen ist die Stromvervielfachung eine leistungsfähigere Lösung als Topologien mit Spannungsmittelung.

Leistungsmodule mit hoher Stromdichte für GenAI

Der steigende Strombedarf von GenAI-Prozessoren stellt hohe Anforderungen an die Energieversorgung. Leistungsmodule mit hoher Stromdichte und optimierten Gehäusetechnologien verbessern die Effizienz für eine nachhaltigere Nutzung in Rechenzentren.

Die Factorized Power Architecture (FPA) von Vicor ermöglicht Stromvervielfachung, indem sie die Spannungsregelung und -wandlung neu definiert, um Hochleistungs-PDNs zu optimieren. In anspruchsvollen Anwendungen sorgt die FPA für eine Stromvervielfachung direkt am Lastpunkt und bietet so einen Wirkungsgrad, eine Stromdichte, geringes Rauschen und ein Lastsprungverhalten, die mit herkömmlichen Mehrphasenansätzen nicht erzielt werden können.

Entwicklung aktueller Stromversorgungsarchitekturen

Die Stromversorgung hat im Laufe der Zeit mehrere architektonische Entwicklungen durchlaufen, da die Systemanforderungen gestiegen sind.

Der früheste Ansatz, die Centralized Power Architecture (CPA), erzeugte alle Spannungen aus einer einzigen Quelle und verteilte sie über die gesamte Platine. Während dies in Systemen mit geringer Leistung funktionierte, erwies sich die CPA als unhaltbar, sobald die Lasten eine Vielzahl niedrigerer Spannungen und höherer Ströme benötigten. Die Verteilungsverluste entlang langer Kupferbahnen verringerten den Systemwirkungsgrad und führten zu übermäßiger Wärmeentwicklung.

Technologischer Fortschritt und Energieverbrauch durch KI

Künstliche Intelligenz gilt als Motor des Fortschritts – aber auch als Stromfresser. Zwischen Rechenzentren und Edge-Anwendungen entscheidet der Wirkungsgrad der Technik über Zukunftsfähigkeit, Kosten und globale Nachhaltigkeitsziele.

Die nächste Stufe war die Distributed Power Architecture (DPA). Hier platzierten die Entwickler modulare Brick-Wandler in der Nähe der einzelnen Lasten, um Leitungsverluste zu reduzieren und die Flexibilität zu verbessern. Der DPA-Ansatz behob einige Ineffizienzen der CPA, beanspruchte jedoch große Leiterplattenflächen und hatte Schwierigkeiten, die Anforderungen an schnelle Lastsprünge zu erfüllen.

Die Intermediate Bus Architecture (IBA) versuchte, ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Kosten herzustellen. Bei der IBA wandelte ein isolierter Buswandler mit festem Verhältnis (K=1/4) 48 V auf 12 V herunter, die dann eine Reihe von nicht isolierten Point-of-Load-Wandlern (niPOL) speisten (Bild 1). Duplizierte/redundante Funktionen wurden so verringert, was die Wirtschaftlichkeit des Systems verbesserte. Allerdings waren die in niPOLs verwendeten mehrphasigen Buck-Wandler bei der Wandlung von 12 V auf <1 V mit Einschränkungen hinsichtlich des Tastverhältnisses konfrontiert, was die Effizienz und das Lastsprungverhalten beeinträchtigte. Bei Lastströmen im dreistelligen Ampere-Bereich benötigten die Systeme große Bypass-Kapazitäten, um die Spannungsschienen zu stabilisieren. Dies ging zu Lasten von Größe und Kosten.

Die Skalierungsgrenzen der IBA machten deutlich, dass eine einfache Weiterentwicklung herkömmlicher Architekturen nicht ausreichte. Um die Anforderungen im kA-Bereich zu erfüllen, war eine völlig neue Strategie erforderlich, die höhere Spannungen regelt, anschließend Spannungen wandelt und Ströme direkt am Lastpunkt vervielfacht.

Interessant ist, dass alle diese Architekturen auf den Prinzipien der Spannungsmittelung basierten, bei denen der Zwischenbus auf eine feste Spannung heruntergewandelt wird und nachfolgende Wandler diese Spannung zeitlich auf <1 V mitteln.

Wie funktioniert die Factorized Power Architecture?

Für LV- und Hochstromanwendungen bietet die Stromvervielfachung gegenüber der Spannungsmittelung erhebliche Vorteile. Hoher Strom steht direkt am Lastpunkt zur Verfügung, während das PDN auf einer höheren Spannung und einem niedrigeren Strom gehalten wird. Dies minimiert die I2R-Verluste, und die Gesamteffizienz des PDN verbessert sich.

Vicors FPA-Technologie versorgt KI-Transponder von Spacechips

Die Kombination aus Vicors Stromversorgungstechnologie und Spacechips' KI-Transponder AI1 ermöglicht autonome Datenverarbeitung im Orbit. Die Lösung bietet hohe Leistungsdichte, strahlungsresistente Architektur und Einsatzmöglichkeiten für ISR, SIGINT und Erdbeobachtung.

Nicole Ahner

Die FPA bietet einen völlig neuen Ansatz zur Stromvervielfachung für leistungshungrige Elektroniksysteme. Anstatt alle Wandlungs- und Regelungsfunktionen am Lastpunkt zu kombinieren, trennt die FPA diese Stufen in zwei separate Leistungsmodule, um Stromdichte, Wirkungsgrad und geringes Rauschen zu optimieren (Bild 2).

Die erste Stufe ist das Pre-Regulator-Modul (PRM), ein Nulldurchgangsregler (ZVS; Zero Voltage Switching). Das PRM erzeugt eine präzise geregelte „faktorisierte Busspannung“, die auf Basis des gewählten Wandlungsverhältnisses des nachgeschalteten Voltage-Transformation-Moduls (VTM) eingestellt wird. Beträgt die Ziellastspannung 0,9 V und das ausgewählte VTM hat einen K-Faktor von 1/48, passt das PRM seine Ausgangsspannung auf etwa 43,2 V an. Auf diese Weise stellt das PRM die exakt benötigte Spannung an der Last bereit und arbeitet dabei mit einem Spitzenwirkungsgrad von nahezu 99 Prozent.

Das VTM ist ein Sinusamplitudenwandler mit festem Verhältnis, der die Umwandlung und Stromvervielfachung am Lastpunkt durchführt. Es funktioniert ähnlich wie ein DC/DC-Wandler und reduziert die geregelte Busspannung, während es den Strom proportional erhöht. Im Beispiel eines Übersetzungsverhältnisses von 1/48 erzeugt ein Strom von 1 A, der mit 48 V in das VTM eintritt, 48 A bei 1 V. Mit Wirkungsgraden von bis zu 97 Prozent, einer Lastsprungantwort im Sub-ms-Bereich und einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz reduziert das VTM den Bedarf an großen Bypass-Kondensatoren.

Zusammengenommen machen diese Vorteile die FPA dichter, schneller und effizienter als jedes herkömmliche Stromversorgungssystem.

Einsatz in Hochleistungsrechnern

Hochleistungsrechnerplattformen gehören zu den anspruchsvollsten Umgebungen für eine Stromversorgung, da moderne Rechnerplattformen oft zwischen 500 und 2000 A bei sehr niedrigen Spannungen verbrauchen. Der Versuch, diesen Strom über ein Motherboard mit herkömmlichen Systemen zu liefern, führt oft zu inakzeptablen Leitungsverlusten, übermäßigem Spannungsabfall und thermischen Hotspots in den Kupferflächen der Leiterplatte.

Leistungseffizienz von KI-Systemen im Rackformat

HPC-Installationen (High Performance Computing) für die KI-Welt erfordern leistungsfähige Wärmemanagement- und Stromversorgungssysteme, um die Verlustwärme effizient abzuführen und die Stromversorgung sicherzustellen. Hier sind spezielle Lösungen nötig.

Die FPA löst dieses Problem, indem sie die Regelung vorverlagert und die Stromvervielfachung direkt am Prozessorgehäuse platziert (Bild 3). Ein PRM regelt die entsprechende faktorisierte Busspannung (um die 48 V) und verteilt sie mit relativ niedrigem Strom über das PDN. VTMs, die sich neben dem Prozessor befinden, wandeln den faktorisierten Bus in eine Betriebsspannung <1 V um und vervielfachen gleichzeitig den Strom auf die erforderlichen Hunderte oder Tausende Ampere. Die enge Platzierung reduziert Verteilungsverluste, minimiert die Induktivität und gewährleistet eine saubere und stabile Stromversorgung des Prozessors.

Das Transientenverhalten ist ebenso wichtig. KI- und HPC-Workloads verursachen schnelle Stromschwankungen, wenn xPU-Cores aktiviert und deaktiviert werden. VTMs reagieren in weniger als einer 1 ms (typischerweise 100 ns), um sofort Strom zu liefern, ohne dass überdimensionierte Kondensatorbänke erforderlich sind. Dies führt zu verbesserter Rechenstabilität und höherer Energieeffizienz.

Die FPA eignet sich ideal für Vertical-Power-Delivery-/VPD-Konfigurationen, da die Stromvervielfacher-VTMs sehr dünn sind und ihre Gehäuse einen geringen Wärmewiderstand aufweisen. Durch ihre hohe Stromdichte benötigen sie im Vergleich zu alternativen Lösungen weniger VTM-Komponenten, um Hochleistungsprozessoren mit Strom zu versorgen. Dadurch können sie den Platz unter dem Prozessor mit der verkleinerten Entkopplungskondensatorbank teilen.

Für viele Systemarchitekten ist FPA die ideale Stromversorgungslösung für HPC, da sie die Herausforderungen in Bezug auf Größe, Geschwindigkeit und Dichte direkt adressiert.

Anforderungen in NewSpace-Anwendungen

Stromversorgungsnetze für Satelliten in niedriger und mittlerer Erdumlaufbahn (LEO/MEO) müssen Effizienz und geringes Rauschen mit der Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlung und Temperaturschwankungen in Einklang bringen. Die Nutzlastelektronik (z. B. Netzwerk-ASICs und FPGAs) erfordert mehrere Sub-1-V- und LV-Schienen mit hohem Strom – und das alles innerhalb von Gewichts- und Platzvorgaben, die wenig Spielraum für überdimensionierte Stromversorgungshardware lassen. Herkömmliche Architekturen mit ihren großen Kupferflächen und sperrigen Kapazitäten können einfach nicht skaliert werden, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Die FPA bietet einen anderen Ansatz. Ein 100-V-Bus von Solaranlagen oder Batterien wird durch einen Buswandler mit festem Verhältnis (BCM) auf 33 V gewandelt (Bild 4). Buck/Boost-PRMs regulieren diese Zwischenspannung auf präzise faktorisierte Busse, während VTMs, die sich neben der Digitalelektronik befinden, die Busspannung heruntertransformieren und den Strom auf die erforderlichen Schienen vervielfachen. Durch die Stromumwandlung an der Last minimiert FPA die Verteilungsverluste und verbessert die Leistungsdichte. Ein FPA-basiertes Stromversorgungsnetz für Satelliten sollte auch Redundanz und Strahlungsresistenz aufweisen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. So können Leistungsmodule mit zwei Antriebssträngen einen unterbrechungsfreien Betrieb gewährleisten, falls ein Pfad ausfällt. Strahlungstolerante Soft-Switching-Designs tragen dazu bei, die im Orbit häufig auftretenden Single-Event-Effekte (SEE) zu minimieren. Vicor ist derzeit das einzige Unternehmen, das strahlungstolerante Stromvervielfachungsmodule mit diesen Eigenschaften und dieser Leistungsfähigkeit anbietet.

Stromversorgung von New-Space-Anwendungen

Die Raumfahrt steht vor wachsenden Herausforderungen durch Wellen- und Teilchenstrahlung. Strahlungstolerante Leistungsmodule für Satelliten im niedrigen (LEO) und mittleren Erdorbit (MEO), versprechen hier eine hohe Betriebssicherheit.

Automatisierte Testsysteme im Fokus

Automatisierte Testgeräte (ATE) sind ein weiterer Bereich, in dem sich die FPA bewährt hat. Dabei wird von den Testköpfen, die zur Validierung von Halbleitern verwendet werden, erwartet, dass sie mehr als 100 A mit sehr schnellen Stromschwankungen von etwa 7,5 A/µs liefern und mit sehr geringem Rauschen arbeiten. Herkömmliche Mehrphasen-Buck-Wandler können solche schnellen Lastsprünge nicht bewältigen, ohne auf große Kondensatorbänke zurückzugreifen. Dies begrenzt die Anzahl der parallel testbaren Geräte und treibt die Gesamtsystemkosten in die Höhe. Außerdem sind sie sehr störungsbehaftet.

Die FPA bietet einen effektiveren Ansatz (Bild 5). Ein PRM regelt die vorgelagerte Spannung auf eine höhere Stufe und verteilt diesen Ausgang auf den faktorisierten Bus im gesamten Testsystem. VTMs, die sich in der Nähe der Testbuchsen befinden, senken die Busspannung und vervielfachen den Strom direkt am Lastpunkt. Da es sich bei dem VTM um einen Wandler mit festem Verhältnis ohne Regelkreisverzögerung handelt, reagiert er in <1 µs auf plötzliche Stromanforderungen und ermöglicht dem Tester, präzise Ströme zu liefern, ohne auf überdimensionierte Kapazitäten angewiesen zu sein.

Die FPA führt auch eine Kapazitätsvervielfachung durch, bei der die Kapazität am VTM-Eingang auf den VTM-Ausgang übertragen und mit dem Quadrat des K-Faktors multipliziert wird. Da weniger physikalische Kapazität benötigt wird, können Testköpfe leichter und kompakter gestaltet werden. Durch die präzise, stabile und schnelle Bereitstellung hoher Ströme verbessert FPA den Durchsatz bei der Halbleitervalidierung und ermöglicht es Bedienern, Prozessoren, FPGAs und ASICs unter realistischen dynamischen Bedingungen zu testen.

Fazit: Effiziente Versorgung für LV- und kA-Anwendungen

Für LV- und Hochstromanwendungen ist ein Stromvervielfachungsansatz die logische Wahl bei der Entwicklung eines leistungsstarken PDN. Die Factorized Power Architecture von Vicor hat sich als die beste Wahl für anspruchsvolle Stromversorgungssysteme von heute erwiesen. FPA bietet hohe Leistungsdichte, schnelle Reaktionszeiten und flexible Designoptionen. Da die Komplexität der Systeme und der Strombedarf weiter steigen, werden die Nachteile herkömmlicher Spannungsmittelungsarchitekturen immer deutlicher. Die Stromvervielfachung der FPA bietet einen bewährten Weg zu einer effizienteren, skalierbaren Stromversorgung mit hoher Leistungsdichte. (bs)