依赖高性能、高功率密度 AI 加速器的数据中心正在快速扩张，而传统的横向供电网络 (PDN) 已显示出明显的局限性。最新一代的 xPU 和定制 AI ASIC 如今在低于 1 V 的电压下运行，同时需要吸收数百安培的电流。

在数据中心中，峰值工作负载非常普遍。在这些高功率需求的瞬态过程中，AI 器件的电流可能接近甚至超过 1 kA 的阈值。传统的供电方式——由边缘放置的电压调节模块 (VRM) 横向流过 PCB 输送电流——已变得效率低下。

这一问题的根源在于基础物理定律。当电流 I 增加时，通过铜层和过孔产生的 I²R 功率损耗会按照二次定律急剧增大。此外，寄生电感会限制瞬态响应。VRM 和硅片之间的“最后一英寸”PDN 已成为效率低下和电压下降的主要源头。

即使引入厚铜层或密集的过孔缝合也不足以解决这个问题。因此，电子行业正在转向垂直供电 (VPD) 架构。

VPD 将转换移至负载端

VPD 方法并非横向传输大电流，而是以更高的电压(通常为 48 V)供电。最终转换为负载点所需电压的过程，直接在处理器封装下方进行(图 1)。这种方法缩短了电流路径长度，并将大电流限制在封装或 PCB 叠层内的垂直路径中。

图1

该解决方案具有多项优势，例如降低电阻和电感损耗、更快的瞬态响应、高效率以及良好的电压调节性能。它还将配电与局部转换分离开来。首先，配电架构可以针对效率和可扩展性进行优化。其次，负载点 (PoL) 级可以针对密度和性能进行优化。这种解耦使得 AI 系统能够在功率和复杂性方面持续扩展。

分立式与集成式 VPD

垂直供电可以通过不同方式实现，从完全集成的片上调节器到基于分立模块的解决方案。完全集成的方法，包括背面供电网络 (BSPDN) 和集成电压调节器 (IVR)，可提供尽可能低的寄生参数和最快的瞬态响应。

这些解决方案通常需要硅片、封装和电源电路之间的协同设计，并已由领先的半导体供应商实现。有关商用 IVR 技术的完整文章，请参阅此处的链接。

在此，我们仅考虑分立式垂直电源模块，这是一种提供模块化且易于实现的 VPD 途径的解决方案。VPD 是高集成的功率转换器，封装在薄型外形中，可以安装在 PCB 下方或直接安装在处理器封装下方。

这些模块将开关器件、控制电路，通常还包括磁性元件，集成到一个紧凑、低矮的封装中。尽管它们无法达到片上解决方案的性能，但在性能、灵活性和可制造性之间提供了出色的平衡。这些器件通常采用球栅阵列 (BGA)，旨在匹配其所放置的每个 xPU/ASIC 的引脚映射，从而降低布线复杂性。

此外，分立式解决方案具有可扩展性。实际上，如果需求增加，可以并联多个模块以实现千安级的电流输送，而无需重新设计或对原始架构进行重大修改。可扩展性和更快的开发周期正推动着它们在 AI 服务器平台中的应用。

商用 VPD 解决方案概览

多家供应商正在提供商用垂直供电解决方案，体现了基于分立式 VPD 的不同架构方法。

Vicor 公司推出了分比式电源架构 (FPA) [3]。在该方法中，电压调节和电流变换被分为两个级。一个前端稳压器产生稳定的中间总线电压，而一个放置在负载附近或下方的下游电流倍增器则执行最终的电压降压和电流缩放。这种划分使得每个级可以独立优化，从而在负载点实现高效率和卓越的电流密度。

如图 2 所示，第一级是预稳压模块 (PRM)。该级是一个零电压开关降压-升压稳压器，输出一个根据所选电压变换模块 (VTM) 变比设定的“分比式总线”稳压电压。PRM 的峰值效率可达 99%。

图2

下一级是 VTM，一个固定比率的正弦振幅转换器。其任务是在负载点执行电压变换和电流倍增。这是通过降低稳压总线电压同时按比例增加电流来实现的。该级的效率可达 97%，具有亚微秒级的瞬态响应和低输出阻抗，减少了对旁路电容的需求。

英飞凌科技公司采用了另一种方法，即将多相降压转换器集成到紧凑的电源模块中。这些器件将 mosfet、驱动器、电感器和控制电路组合到一个封装中。该解决方案将一个完整的 VRM 集成到非常适合垂直放置的占位面积内。通过使用先进的封装技术，如嵌入式芯片和集成磁性元件，这些模块实现了高电流密度和良好的热性能。

图 3 所示的 OptiMOS TDM2454xx [5] 是一个四相电源模块系列，可提供高达 280 A 的电流，电流密度为 2.0 A/mm²。它们非常适合 AI 数据中心中的真正垂直供电 (VPD)，将英飞凌的 OptiMOS 6 沟槽技术、芯片嵌入式封装和专有的薄型电感器技术集成到一个器件中。

图3

另一方面，Flex Power modules 强调系统级集成。他们的解决方案设计为安装在 PCB 的背面，与处理器的电源引脚分配对齐。这能够在为高速元件腾出 PCB 上层空间的同时，实现高效的电流输送。

其重点更多地放在优化布局、可制造性和系统效率上。Flex 已经开发出复杂的定制 VPD 模块，以匹配不同类型的 xPU 和 ASIC。他们的 VPD 解决方案范围从分布在多达 288 个相位上的 1 到 25 个电压轨 [6]。

Flex Power Modules 和瑞萨电子签署了合作协议，共同开发用于支持 AI 工作负载的 xPU、专用 ASIC 和加速器卡的板载电源管理解决方案。此次合作将把瑞萨的智能功率级 (SPS) 与 Flex Power Modules 的先进设计和制造能力相结合，从而扩大其 VPD 产品组合。

AmberSemi 公司提供的 VPD 产品是其 PowerTile DC-DC 功率转换器(图 4)。该转换器采用紧凑、薄型封装(20 x 24 x 1.68 毫米)，能够提供 1,000 A 的电流。它还可以组合使用以提供超过 10,000 A 的电流。

图4

该芯片的矮小高度支持电源的液体冷却，这是在此类电流水平下运行的系统所需的能力。它还支持外形尺寸非常小的服务器。AmberSemi 的解决方案具有可扩展性，非常适合包括英伟达、AMD 和英特尔在内的领先处理器制造商。

Analog Devices (ADI) 提供专门的 µModule(微模块)稳压器，用于高性能 AI 数据中心的垂直供电 (VPD)。例如，LTM3360B 是一款高密度降压型 DC-DC µModule 稳压器，旨在满足 XPU 内核、ASIC 和 FPGA 等高性能处理器的电源需求。

它在紧凑的 6.55 mm × 5 mm 封装中提供高达 33 A 的输出电流，实现了业界领先的 1 A/mm² 电流密度。这种性能是通过将功率电感器、输入/输出电容器和控制电路集成到一个单一的热增强型 BGA 封装中实现的。

高电流密度使设计人员能够将该器件放置在处理器的“电源引脚”下方，即芯片的阴影区域内，从而缩短电流传输距离。此外，其可堆叠架构支持多达 12 相的多相并联运行，使系统能够扩展以提供超过 1,000 A 的电流，同时保持垂直方向。