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AI晶片电压跌破1V! 电源设计必须应对『低压高流』时代
 

【CTIMES / SMARTAUTO ABC_1 报导】    2025年04月14日 星期一

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随着人工智慧(AI)技术的快速发展,生成式AI、深度学习和高效能运算(HPC)的需求激增,AI伺服器的电力需求也随之大幅提升。特别是AI处理器(如GPU、TPU等)对供电的要求越来越严格,不仅需要超低电压(0.6-1.5V),还必须提供大电流(数百至上千安培),同时确保高暂态响应和低纹波。这些需求使得传统电源设计面临前所未有的挑战,也推动了新一代电源技术的革新。

现代AI晶片(如NVIDIA H100、AMD MI300等)采用先进制程(如5nm、3nm),工作电压降至0.6-1.5V,但电流需求却高达数百至上千安培。这样的供电规格远超传统CPU(通常1.8V以上),使得电源设计必须在极低电压下仍能稳定供应大电流,避免因阻抗(IR Drop)导致电压骤降,影响晶片效能。

AI运算具有突发性负载变化的特性,例如深度学习模型的矩阵运算可能瞬间拉高电流,传统电源的反应速度(通常在毫秒级)已无法满足需求。AI电源必须在微秒(μs)级完成电压调整,否则可能导致系统崩溃或运算错误。

AI晶片对电源杂讯极为敏感,即使微小的电压波动(纹波)也可能导致讯号错误。因此,电源设计需将输出纹波控制在10mV以下,同时保持90%以上的转换效率,以减少能源浪费与散热问题。

传统可程式电子负载(如DC电子负载)在模拟低於1V的超低压大电流时,往往因测量精度不足或动态响应慢而无法准确模拟AI处理器的真实工作环境。这使得电源测试与验证变得更加困难。

由於电流极高,PCB的铜箔阻抗和热损耗成为关键问题。工程师必须采用多层PCB设计、厚铜技术,甚至直接使用铜块(Copper Pillar)来降低阻抗,同时搭配先进散热方案(如液冷)来维持系统稳定性。

传统12V供电架构已无法满足AI晶片需求,业界转向48V供电或点负载(PoL, Point-of-Load)电源,以减少传输损耗。此外,数位电源管理(Digital Power Management)技术的导入,可透过即时监控与调整,优化供电效率。

面对这些问题,氮化??(GaN)和碳化矽(SiC)等新一代功率元件,因其高频率、低损耗特性,可大幅提升电源转换效率,并缩小体积,成为AI电源的关键技术。AI伺服器开始采用专用电源管理IC,结合AI演算法预测负载变化,动态调整电压与电流,以实现最隹化供电。为因应AI电源的复杂需求,新的测试设备(如高精度动态负载模拟器)正在发展,以更精准地模拟AI处理器的供电行为。

AI的快速发展不仅推动了演算法与硬体的进步,更促使电源技术迈向新纪元。超低压、大电流、高动态响应的供电需求,已成为AI伺服器能否发挥最大效能的关键。未来,随着GaN/SiC技术成熟、数位电源管理普及,以及更先进的散热方案,AI电源将继续突破极限,为下一波AI革命提供强劲动力。

關鍵字: CPU  GPU  FPGA  MPU  HPC  Gen AI 
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