近年来，数据中心的发展使得处理器所需的功率密度显著提升。AI加速器与高性能计算(HPC)设备运行时的电流极高，常常超过1000 A，而工作电压却已降至1 V以下。这种高电流与低电压的组合，给传统的供电架构带来了重大挑战。

在传统的服务器平台中，最后的电压转换环节由位于主板上的多相降压稳压器完成。然而，随着AI芯片所需电流的增加，供电网络(PDN)中的电阻损耗急剧增长，电能以热量形式耗散(焦耳效应)。

稳压器与处理器之间路径上的寄生电感进一步加剧了这一问题。在现代处理负载中，电流可能在几纳秒内变化数百安培，这种寄生电感限制了瞬态响应的速度。

为了应对这些物理限制，半导体行业推出了集成式电压调节器(IVR)。这种方案将稳压器组件直接集成到处理器封装内部或芯片本身上，从而极大缩短了供电路径的长度，进而降低了电阻损耗和寄生电感。

在本文中，我们将探讨IVR技术的最新进展与创新，这项技术对于在AI数据中心实现高能效和高功率密度正变得日益重要。

传统VRM与IVR的对比

数据中心使用的传统电压调节器，即电压调节模块(VRM)，通常通过安装在主板上的多相降压转换器来提供大电流。多年来，这种解决方案已被充分验证，但随着集成数千个并行计算核心的AI处理器对功率的需求不断增长，其局限性日益凸显。

IVR提供了一种替代方案，它将电压转换的最终环节移至紧邻电子负载的位置。通过将稳压器集成到封装或直接集成到硅片中，转换点与晶体管之间的电气距离被大幅缩短。

这种方法带来了多项技术优势。降低PDN阻抗提高了电源的稳定性，而减小寄生电感则能实现对电流瞬变的更快速响应。此外，IVR的开关频率通常远高于传统VRM，这使得可以使用小型化的无源元件，便于集成到极其狭小的空间内，并优化整体系统效率。

垂直供电：3D功率分布

IVR是被称为“垂直供电”这一更广泛趋势的一部分。在这种架构中，电流垂直流过芯片封装，而非在半导体晶圆上横向分布。

这一变化看似仅是几何布局上的调整，却有着重要影响。通过缩短电路路径，供电系统的电阻和电感得以降低，从而减少了功率损耗。

对于HPC和AI系统设计者而言，这意味着供电设计不再仅仅是PCB布局的问题，而是变成了一个涉及芯片架构、先进封装和磁性材料的协同设计问题。

Empower Semiconductor 与 Crescendo 架构

Empower Semiconductor 开发的 Crescendo 平台利用其专有的 FinFast 技术，提供可扩展、按需的垂直供电，峰值电流超过 2600 A。据该公司称，该平台的瞬态响应速度比传统的横向供电快20倍，解决方案密度高5倍，同时保持了紧凑、低矮的外形设计。

Empower Semiconductor 首席执行官 Tim Phillips 表示：“Crescendo 实现了所谓的垂直供电，这与传统的电源设计形成对比。在极高的功率水平下，让电流在电路板上长距离传输是不可取的。从效率和稳压的角度来看，理想的布局是垂直放置，即直接放在处理器正下方的阴影区内，这是放置电源的最佳位置。”

与传统解决方案相比，Crescendo 的尺寸最大可缩小5倍，效率提升5%至20%，并能显著降低电压跌落。

Phillips 说：“电源和稳压方面最令人担忧的问题之一是处理器电流的快速变化。电压往往会产生很大的波动，而这种电压波动会拖慢处理器速度并浪费能量。当处理器因电压跌落减少而能在更低的电压下运行时，实际上可以在更低的电压下保持相同的工作频率，从而节省大量能源。”

图1比较了 Empower Semiconductor 的 IVR EP7502 组件与传统电压调节器的性能。波形图展示了两个稳压器在承受突发负载变化(在400纳秒内从5 A跳变至500 A，这种情况在AI数据中心中可能发生)时的输出电压变化。可以看出，EP7502 IVR 的电压跌落(约50 mV)远低于传统方案，并且由于其总输出电容更小(150 μF 对比 20 mF)，它能在更短的时间内恢复到目标输出电压值。

图1

此外，其热效率(性能低于2°C/W)也确保了即使在极端负载下也能可靠运行。Crescendo 架构集成了先进的硅工艺、高频磁性元件以及 Empower Semiconductor 专门开发的硅电容。

后者对于该平台的性能至关重要，这得益于其超低的等效串联电感和等效串联电阻、超宽的带宽(10 MHz至10 GHz)以及出色的稳定性。通过将这些电容直接集成到基板或芯片中，Crescendo 消除了对 bulky 去耦电容器组的需要，将总电容减少了95%以上。

Ferric Semiconductor 与磁性电感器在硅上的集成

实现电压调节器完全集成的历史障碍之一是电感器。虽然晶体管得益于硅的可扩展性而不断缩小，但磁性元件的性能却高度依赖于材料的体积。

为了克服这一限制，一些公司正在开发基于直接沉积在CMOS硅上的薄膜材料的集成式磁性电感技术。源自哥伦比亚大学的衍生公司 Ferric Semiconductor 是该领域的主要创新者之一。其技术采用集成到后道制造工艺中的磁性材料，能够制造出紧凑而高性能的微型电感器。

Fe1766 IVR 模块是该技术最先进的实例之一。该器件是一款带有PMBus数字接口的16相降压稳压器，它将控制器、场效应管、电感器和电容器集成在约35 mm²的面积内，适合集成到处理器封装中。在1.8 V 转换至 0.75 V、输出电流96 A的条件下，其峰值效率可达90%。通过连接64个器件，系统功率可扩展至10 kW。

Fe1766 提供4.5 A/mm²的电流密度，可处理约160 A的连续电流，工作开关频率在数十兆赫兹范围内。这降低了对转换器电感值的要求，使得使用比传统方案小得多的电感器成为可能。

图2

Endura Technologies 与 BDDC 技术

Endura Technologies 专注于开发用于高密度功率环境的电源管理集成电路。该公司拥有超过60项专利的支持，其 IVR 架构基于专有的“旁路双占空比控制”(BDDC)技术，能够在极端负载条件下动态管理电压降，同时保持极高的效率。

该公司的旗舰产品 ET21324X 是一款高效率、32级降压稳压器，可提供高达150 A的连续电流和220 A的瞬时电流。该组件封装在紧凑的35 mm²芯片中，具有高带宽，能够实现超快速的负载瞬态响应，并显著减少输出电压降。

根据该公司数据，即使在变化率大于10 A/ns的极快负载瞬变下，该解决方案的电压降也小于30 mV，恢复时间小于200 ns。

ET21324X 提供大于4 A/mm²的电流密度，并且具有可扩展性，支持多域配置，最多可并联61个器件以增加电流容量，使其适用于AI处理器、CPU、GPU、ASIC 和 FPGA。

集成在封装中的调节器：PIVR 方法

除了完全集成的 IVR，另一种日益流行的解决方案是封装集成式电压调节器(PIVR)。在这种方案中，调节器被集成到处理器封装的基板中。这种策略缩短了转换点与负载之间的电路路径，而无需对芯片制造工艺进行根本性改变。

图3

例如，美满电子科技公司就采用了这种集成方式，它在网络系统和数据中心尤其有用，因为在这些领域，电压稳定性对于保持信号完整性至关重要。通过将调节器集成到封装基板中，美满电子可以将传输损耗降低高达85%(图3)，实现3–4 A/mm²的电流密度。